JP3945664B2 - Method for producing water-repellent silicon oxide film - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撥水性、耐摩耗性および耐擦傷性を有する撥水性酸化シリコン皮膜、およびその撥水性酸化シリコン皮膜の製造方法、並びに硬質撥水性酸化シリコン皮膜に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、ガラス製品、樹脂製品、金属製品、半導体製品、木材製品、繊維、建材等の表面において、水などをはじくことを目的として、撥水性皮膜を形成するなどの表面改質による撥水処理がなされている。
こうした撥水性皮膜としては、テフロンや、表面科学Vol.14,No.9,pp540−545,1993で開示されているフッ素含有SiO2薄膜などが知られている。
【0003】
テフロンは、水滴の静的接触角が108°であり、撥水性に優れた材料であるが、耐摩耗性に劣るという問題があった。一方、前記フッ素含有SiO2薄膜は、テトラエトキシシランとフルオロアルキルシラン等を液体状態で混合して調製されたコーティング溶液と、ガラス基板と、を用いてゾル−ゲル法により形成され、酸化シリコンを主成分とし、フッ素を含有するもので、酸化シリコンを主成分とするため耐摩耗性に優れ、かつフッ素を含有するため撥水性に優れる材料として知られている。
【0004】
しかし、このゾル−ゲル法を用いた撥水性酸化シリコン皮膜の形成では、コーティング溶液の調製時にエタノール等の溶媒が必要となり、また液体状態にあるテトラエトキシシランとフルオロアルキルシランを用いるため、揮発性の高いものでは、コーティング溶液の濃度調節等が困難である。さらに、コーティング溶液を表面に塗布した後において350℃以上の高温の熱処理を必要とするため、耐熱温度の低い製品においては、この高温の熱処理によりその品質が低下してしまうという不具合があった。また、この方法では、乾燥、硬化時における溶媒の蒸発に伴ってフッ素が皮膜の表面付近に濃縮してしまうため、フッ素が皮膜中に均一に分散した形態の撥水性酸化シリコン皮膜を得ることが困難であった。このフッ素が表面付近に濃縮した形態の撥水性酸化シリコン皮膜は、摩耗等によりフッ素濃縮部分が削り取られてしまうと、撥水性が低下してしまうという不具合がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、コーティング溶液の調製、高温の熱処理等を必要とせず、撥水性、耐摩耗性および耐擦傷性に優れる撥水性酸化シリコン皮膜を容易に、低温でかつ母材と密着性良く製造する方法を提供することを目的とする
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、シリコン化合物を含むシリコン化合物ガスとフッ素化合物を含むフッ素化合物ガスとを用い、気相中でシリコン化合物およびフッ素化合物を分解することにより、シリコン含有分解反応物とフッ素含有分解反応物の少なくとも一方が酸素を含み、また少なくとも一方が炭素を含む形態で、それぞれシリコン含有分解反応物とフッ素含有分解反応物を生成した。そして、これらのシリコン含有分解物とフッ素含有分解反応物とを母材上に堆積させることにより形成した撥水性酸化シリコン皮膜が撥水性、耐摩耗性および耐擦傷性に優れることを発見し、かつ容易に、低温でかつ母材と密着性良くこのような性質をもつ撥水性酸化シリコン皮膜を形成できることを見出し、本発明に至ったものである。
【0009】
即ち、本発明の撥水性酸化シリコン皮膜の製造方法は、シリコン化合物およびフッ素化合物の少なくとも一方は酸素を含み、かつ該シリコン化合物および該フッ素化合物の少なくとも一方は炭素を含む化合物をそれぞれ用い、該シリコン化合物を含むシリコン化合物含有ガスと、水素ガスを含むキャリアガスとともに該フッ素化合物を含むフッ素化合物含有ガスと、を調製し、それぞれを原料ガスとする原料ガス調製工程と、該原料ガスに含まれる該シリコン化合物と該フッ素化合物とを気相中で分解反応させることにより、シリコン含有分解反応物とフッ素含有分解反応物の少なくとも一方が酸素を含有し、かつ該シリコン含有分解反応物と該フッ素含有分解反応物の少なくとも一方が炭素を含有する形態で該シリコン含有分解反応物と該フッ素含有分解反応物を生成する分解反応物生成工程と、前記分解反応物生成工程で生成した該シリコン含有分解反応物と該フッ素含有分解反応物とを母材上に堆積させることにより、該シリコンが該シリコン含有分解反応物および該フッ素含有分解反応物の少なくとも一方に含まれる該酸素と結合した酸化シリコンと、該フッ素が該シリコン含有分解反応物および該フッ素含有分解反応物の少なくとも一方に含まれる該炭素と結合した該フッ素および該炭素と、を含む皮膜を形成する皮膜形成工程と、からなることを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の撥水性酸化シリコン皮膜の製造方法の実施の形態を、撥水性酸化シリコン皮膜および硬質撥水性酸化シリコン皮膜とともに、以下にそれぞれ説明する。
(撥水性酸化シリコン皮膜)
水性酸化シリコン皮膜は、シリコン化合物を気相中で分解反応させることにより生成したシリコン含有分解反応物と、フッ素化合物を気相中で分解反応させることにより生成したフッ素含有分解反応物と、からなる皮膜である。シリコン化合物およびフッ素化合物は、これら化合物の少なくとも一方が酸素を含む化合物であり、かつこれら化合物の少なくとも一方が炭素を含む化合物である。シリコンはこれら分解反応物の少なくとも一方に含まれる酸素と結合した酸化シリコンの形態で含まれ、かつフッ素はこれら分解反応物の少なくとも一方に含まれる炭素と結合した形態で含まれる。
【0012】
このとき用いるシリコン化合物は、その種類において特に限定されるものでないが、有機シリコン化合物であることが望ましい。有機シリコン化合物は、室温で気体状態のものが多く、気相中で分解反応させやすいため好ましい。また、有機シリコンはシリコンだけでなく炭素を含み、この炭素をフッ素との結合に利用できるため好ましい。
【0013】
また、このとき用いる有機シリコン化合物はオルガノアルコキシシランであることが望ましい。オルガノアルコキシシランは、蒸気圧が高いため蒸発しやすく、加熱したりキャリアガス等を用いたりしなくても安定して原料の供給ができ、また安全性に優れるため扱いやすく、安価であるため製造コストを低減することができる。
【0014】
また、有機シリコン化合物としては、テトラメチルシラン((CHSi)、テトラエトキシシラン(Si(OC)、テトラメトキシシラン(Si(OCH)、メチルトリメトキシシラン(CHSi(OCH)、ジメチルジメトキシシラン((CHSi(OCH)、トリメチルメトキシシラン((CHSi(OCH))、ヘキサメチルジシラン((CHSi)およびヘキサメチルジシロキサン((CHOSi)の少なくとも一種であることが望ましい。
【0015】
これら上記の有機シリコン化合物は沸点が低く、蒸気圧が高いため好ましい。また、オルガノアルコキシシランの中でも、テトラエトキシシラン、テトラメトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、トリメチルメトキシシランは酸素を含むため、この酸素をシリコンと結合させて酸化シリコンを形成できるため好ましい。さらに、テトラエトキシシラン、テトラメトキシシラン、メチルトリメトキシシランより生成したシリコン含有分解反応物からなる撥水性酸化シリコン皮膜は、擦傷性に優れるため好ましい。
【0016】
フッ素化合物は、その種類において特に限定されるものでないが、パーフルオロアルキル基を有するシリコン化合物であることが望ましい。パーフルオロアルキル基を有するシリコン化合物は、沸点が低く、蒸気圧が高いため好ましい。また、シリコンを含むため、このシリコンを酸素と結合させて酸化シリコンを形成できるため好ましい。また、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のような低い表面自由エネルギーをもつ表面を形成し、撥水性、潤滑性、離型などの性質が向上し、さらに撥油性も発現する。
【0017】
また、このパーフルオロアルキル基を有するシリコン化合物は、フルオロアルキルシラン(Cn2n+1CH2CH2Si(OCH33(但し、nは任意の正の整数である。))の少なくとも一種であることが望ましい。パーフルオロアルキル基を有するシリコン化合物の中でも、Cn2n+1CH2CH2Si(OCH33は、例えばCn2n+1CH2CH2SiCl3と比較しても加水分解速度が低く、母材表面と化学的に反応して耐久性のある表面エネルギーの低い皮膜を形成する。
【0018】
さらに、このフルオロアルキルシランのnの値は8以上であることが望ましい。このようなnの値をもつものは、フルオロアルキルシランの中でも、特に撥水性が優れるため、さらに好ましい。
さらには、シリコン化合物はテトラメチルシランであり、かつフッ素化合物はnの値が8であるフルオロアルキルシラン(CF3(CF27CH2CH2Si(OCH33であって、水滴の静的接触角が150°以上であることが望ましい。
テトラメチルシランは酸素を含まないが、フルオロアルキルシランは酸素を含み、この酸素をシリコンと結合させて酸化シリコンを生成できるため好ましい。また、撥水性酸化シリコン皮膜では、水滴との接触角がさらに大きくなり、水滴の静的接触角を150°以上とすることにより、超撥水性をもたせることができる。
【0019】
水性酸化シリコン皮膜では、膜形状、膜面積、膜厚等は特に限定されるものでなく、用途に応じてそれぞれ任意に選択することができる。
水性酸化シリコン皮膜では、シリコン含有分解反応物とフッ素含有分解反応物の共存形態は特に限定されるものではないが、シリコン含有分解反応物がシリコンと酸素が結合している酸化シリコンを含まない場合や、フッ素含有分解反応物が互いに結合しているフッ素と炭素を含まない場合、シリコン含有分解反応物とフッ素含有分解反応物とが互いに化学反応し、酸化シリコンや互いに結合したフッ素と炭素が生成された皮膜とすることができる。
【0020】
また撥水性酸化シリコン皮膜では、酸化シリコンはSi−O−Siで表される結合形態のものであることが望ましい。この酸化シリコンは結合力が大きく、皮膜の硬さを大きくし、耐摩耗性および耐擦傷性を向上させる。
また撥水性酸化シリコン皮膜では、該フッ素および該炭素は、C−F結合を有する官能基を形成していることが望ましい。フッ素原子Fは原子半径が小さく、電気陰性度が高いためC−F結合エネルギーは大きく、結合距離が短い。従って、分子内では極めて弱い相互作用しかもたない。このため、極性分子である水との相互作用が弱くなり、撥水性が向上する。
【0021】
このとき、C−F結合を有する官能基は、CF−で表される官能基、あるいは/また−CF−で表される官能基であることが望ましい。これら官能基で覆われた表面は臨界表面張力(表面エネルギー)が低くなるため、撥水性がさらに向上する。
さらに撥水性酸化シリコン皮膜では、疎水性の大きい炭素と水素とからなる官能基を含有することが望ましい。撥水性酸化シリコン皮膜がその組織中にパーフルオロアルキル基のように構造が長く、剛直な官能基を有する場合、皮膜の構造形態が隙間の多いものとなり、緻密な構造形態を作りにくくなる。このことは、撥水性を低下させる原因となり好ましくない。そこで、このような隙間を疎水性の大きい官能基で埋めることにより、撥水性を向上することができる。特に、炭素と水素からなる官能基には、疎水性の大きいものが多く、また化学的にも安定である。
【0022】
このような官能基としてはメチル基であることが望ましい。メチル基は疎水性が大きく、また構造的に小さいため前記皮膜構造中の隙間を埋めやすく、非常に緻密な構造形態を作ることができる。さらに化学的にも非常に安定である。
また撥水性酸化シリコン皮膜では、互いに結合したフッ素と炭素が皮膜中に均一に分散していることが望ましい。これにより、摩耗等により皮膜の表面となる部分が繰り返し削り取られても、新たに表面となる部分は常に互いに結合したフッ素と炭素が均一に含まれる形態となり、撥水性が持続される。
【0023】
また、皮膜中に含まれるフッ素の含有量は特に限定されるものではないが、フッ素が10〜50at%含まれるものが望ましい。これにより、表面エネルギーの低い皮膜を形成することができ、撥水性を向上させることができる。このとき、フッ素が10at%未満しか含まれていないと、表面エネルギーの低下が不十分となり、十分な撥水性が得られなくなる。また、フッ素が50at%を超えて含まれると硬さが小さくなり、耐摩耗性が低下する。
【0024】
また、可視光の透過率については特に限定されるものではないが、可視光の透過率は90〜95%が望ましい。この撥水性酸化シリコン皮膜は透光性に優れ、透光性の要求される材料、例えばポリカーボネイトのような透明プラスチック、透明ガラス等への利用が可能となる。
(撥水性酸化シリコン皮膜の製造方法)
次に、本発明の撥水性酸化シリコン皮膜の製造方法について、その実施の形態を以下に説明する。本製造方法は、原料ガス調製工程、分解反応物生成工程および皮膜形成工程の3つの工程からなる。
【0025】
原料ガス調製工程は、シリコン化合物およびフッ素化合物の少なくとも一方は酸素を含み、かつ該シリコン化合物および該フッ素化合物の少なくとも一方は炭素を含む化合物をそれぞれ用い、該シリコン化合物を含むシリコン化合物含有ガスと、該フッ素化合物を含むフッ素化合物含有ガスと、を調製し、それぞれを原料ガスとする工程である。
【0026】
この工程で使用するシリコン化合物含有ガスは、室温で液体状態のシリコン化合物を気化させるなどして用意することができ、シリコン化合物含有ガス中のシリコン化合物の濃度、ガス温度、ガス圧等は特に限定されるものではないが、用途に応じて選択することができる。同様に、フッ素化合物含有ガスは、室温で液体状態のフッ素化合物を気化させるなどして用意することができ、フッ素化合物含有ガス中のフッ素化合物の濃度、ガス温度、ガス圧等は特に限定されるものではないが、用途に応じて選択することができる。なお、使用するシリコン化合物あるいは/またフッ素化合物の沸点が高い場合には、アルゴンガス等の不活性ガスをキャリアガスとして利用したり、加熱するなどして蒸発、気化させることができる。
【0027】
のフッ素化合物含有ガスは水素ガスを含むキャリアガスとともにフッ素化合物を含むことが望ましい。この水素ガスは、後の分解反応物生成工程において、フルオロアルキルシラン中のC−F結合から分解して生成したF原子と反応し、HFの形で真空中から排気される。それゆえ皮膜のエッチングが抑制される。また、これにより、皮膜形成工程で皮膜中に取り込まれる酸素の量が減る。それゆえ、酸素含有量の少ない撥水性酸化シリコン皮膜を得ることができる。
【0028】
分解反応物生成工程は、該原料ガスに含まれる該シリコン化合物と該フッ素化合物とを気相中で分解反応させることにより、シリコン含有分解反応物とフッ素含有分解反応物の少なくとも一方が酸素を含有し、かつ該シリコン含有分解反応物と該フッ素含有分解反応物の少なくとも一方が炭素を含有する形態で該シリコン含有分解反応物と該フッ素含有分解反応物を生成する工程である。
【0029】
この工程は、あらかじめロータリーポンプ等の真空ポンプにより高真空にするなどして空気等の不純物ガスがほとんど存在しない状態となった雰囲気下において行う。
原料ガスに含まれるシリコン化合物とフッ素化合物とを気相中で分解反応させる方法は、特に限定されないが、プラズマ、高熱、光等を用いて分解反応させることができる。プラズマ、高熱、光等は高エネルギーを有するため、原料ガスに含まれるシリコン化合物とフッ素化合物を、この高エネルギーにより分解することができる。
【0030】
このときプラズマを用いる場合、プラズマの温度等の状態は特に限定されるものではないが、シリコン化合物およびフッ素化合物の少なくとも一方は、低温プラズマを用いて気相中で分解反応させることが望ましく、特に、シリコン化合物およびフッ素化合物の両方を低温プラズマを用いて気相中で分解反応させることが好ましい。撥水性酸化シリコン皮膜を形成する製品が耐熱温度が低い場合、高温のプラズマを用いると、このプラズマの高熱により製品の品質が低下する恐れがあるので、皮膜形成工程において製品を高温のプラズマの高熱の影響を受けない位置に設置してシリコン含有分解反応物とフッ素含有分解反応物を堆積させるなどの注意が必要である。しかし、低温のプラズマを用いる場合はこのような注意を必要としないため、任意の製品を任意の位置に設置してシリコン含有分解反応物とフッ素含有分解反応物を堆積させることができ、好ましい形態である。
【0031】
また、低温プラズマの発生方法は特に限定されないが、マイクロ波あるいは/また高周波を用いた真空放電により発生させることが望ましい。これにより、ガス温度が低いが電子温度の高いプラズマを得ることができる。
また、この工程では、シリコン化合物含有ガスとフッ素化合物含有ガスとを混合した形態でシリコン含有分解反応物とフッ素含有分解反応物とを生成することが望ましい。これにより、同じ容器内で、かつ同じ作業で行うことができるので、撥水性酸化シリコン皮膜を形成する装置が簡便なものとなり、かつ作業効率も向上し、シリコン含有分解反応物とフッ素含有分解反応物の生成が容易となる。
【0032】
このとき、シリコン化合物含有ガスおよびフッ素化合物含有ガスの全圧、分圧比等は特に限定されるものではないが、これらの全圧、分圧比等に対応してシリコン含有分解反応物とフッ素含有分解反応物と生成速度がそれぞれ決まるため、これら分解反応物の所望の生成速度に応じて全圧、分圧比等を選択することができる。
このとき、シリコン含有分解反応物とフッ素含有分解反応物との生成は、該シリコン化合物含有ガスと該フッ素化合物含有ガスとの全圧が10Pa以上の圧力下でおこなうことが望ましい。この圧力下でシリコン含有分解反応物とフッ素含有分解反応物を生成することにより、低温プラズマ中で均一核生成が行われ、粒成長が著しくなり、皮膜形成工程において形成される撥水性酸化シリコン皮膜の表面の凹凸が大きくなる。
【0033】
皮膜形成工程は、前記分解反応物生成工程で生成した該シリコン含有分解反応物と該フッ素含有分解反応物とを母材上に堆積させることにより、該シリコンが該シリコン含有分解反応物および該フッ素含有分解反応物の少なくとも一方に含まれる該酸素と結合した酸化シリコンと、該フッ素が該シリコン含有分解反応物および該フッ素含有分解反応物の少なくとも一方に含まれる炭素と結合した該フッ素および該炭素と、を含む皮膜を形成する工程である。
【0034】
この工程では、シリコン含有分解反応物とフッ素含有分解反応物とを分子レベルで母材上に堆積させるため、母材と密着性よく皮膜を形成することができる。
また、シリコン含有分解反応物がシリコンと酸素が結合している酸化シリコンを含まない場合や、フッ素含有分解反応物が互いに結合しているフッ素と炭素を含まない場合、シリコン含有分解反応物とフッ素含有分解反応物とを母材上に堆積させ、互いに化学反応させて酸化シリコンや互いに結合したフッ素と炭素とを皮膜中に生成することができる。
【0035】
この工程では、母材の皮膜を形成する表面の温度は特に限定されるものではないが、少なくとも母材の皮膜を形成する表面を加熱することにより、この表面を50〜350℃の温度にすることが望ましい。これにより、熱分解反応が進むため膜が緻密化し、得られる皮膜の硬さが大きくなる。
また、この工程で使用する母材の材質については特に限定されるものではないが、ガラス材料、樹脂材料、金属材料、半導体材料、木材、繊維、建材の少なくとも一種からなるものが望ましい。撥水性、耐摩耗性および耐擦傷性が要求される製品には、これらの材料からなるものが多く、望ましい形態である。
【0036】
また、母材の形状、大きさについても特に限定されるものではなく、母材の形状、大きさに応じて母材を固定したり一次元、二次元あるいは三次元的に動かすなどしてシリコン含有分解反応物およびフッ素含有分解反応物を堆積させることにより、任意の形状、大きさをもつ母材に撥水性酸化シリコン皮膜を形成することができる。
【0037】
なお、生成されたシリコン含有分解反応物とフッ素含有分解反応物の母材表面への移動形態は特に限定されるものではないが、気流等により移動させたりするなどして母材上に堆積することができる。
母材の設置形態については特に限定されるものではないが、シリコン含有分解反応物とフッ素含有分解反応物が最も多く生成され、かつ移動距離ができるだけ短くなる位置に母材を設置してシリコン含有分解反応物およびフッ素含有分解反応物を堆積させることが望ましい。このとき、母材表面において皮膜が成長する方向は、特に限定されるものではないが、シリコン含有分解反応物およびフッ素含有分解反応物の移動方向に応じて母材表面の面方向を選択し、シリコン含有分解反応物およびフッ素含有分解反応物を堆積させることにより、母材表面に対して任意の方向に皮膜を成長させることができる。
【0038】
具体的には、例えば低温プラズマを用いた場合、低温プラズマの終端付近に母材を設置することにより、プラズマ中で生成されたシリコン含有分解反応物とフッ素含有分解反応物とを、移動距離がほとんどない状態で堆積させることができる。このとき、低温プラズマの終端付近から離れた位置に設置すると、プラズマ中で生成したシリコン含有分解反応物とフッ素含有分解反応物の移動距離が長くなり、容器等に付着するなどして、効率的にシリコン含有分解反応物とフッ素含有分解反応物を母材上に堆積させることができなくなる。
【0039】
また、前記分解反応物生成工程において、シリコン含有分解反応物およびフッ素含有分解反応物をそれぞれ任意の生成速度で生成することができるため皮膜形成工程において、シリコン含有分解反応物およびフッ素含有分解反応物をそれぞれ所望の堆積速度で堆積することができ、任意の成膜速度で皮膜を形成することができる。
(硬質撥水性酸化シリコン皮膜)
質撥水性酸化シリコン皮膜は、前記の如く撥水層および硬質層の少なくとも2層から構成され、それぞれの層は皮膜の最表面に撥水層が位置するように基材上に配置される。この撥水層は高い撥水性能をもつ層である。一方、この硬質層は高い硬質性能をもつ層である。
【0040】
それゆえ、本硬質撥水性酸化シリコン皮膜では、撥水層を硬質層で裏打ちした構成となっており、高い撥水性および高い硬質性が得られる。さらに、双方の層とも酸化シリコン系化合物を主成分とするため互いに高い整合性をもち、それらの層の密着性が高い。なお、この撥水層でも撥水性酸化シリコン皮膜と同様、互いに結合したフッ素と炭素が皮膜中に均一に分散していることが望ましい。
【0041】
また、いずれの層も可視光の高い透過率をもちうる。それゆえ、本硬質撥水性酸化シリコン皮膜では可視光の高い透過性を得ることができる。
それぞれの層の厚さについては特に限定されるものではないが、硬質層が薄すぎたり、あるいは逆に撥水層が厚すぎたりすることがないようにそれぞれの層の厚さを適切に選択することが好ましい。硬質層が薄すぎたりするとその硬質性能を十分に得ることができなくなる。また、逆に撥水層が厚すぎたりすると、これによって硬質層の硬質性能の発揮が妨げられる。
【0042】
質撥水性酸化シリコン皮膜は、基材の上に最初に硬質層を形成し、この硬質層の上に撥水層を形成することによって作製することができる。このとき、硬質層形成には、公知の形成手段を用いることができる。また、撥水層の形成には、本発明の撥水性酸化シリコン皮膜の製造方法による形成手段を用いることができる。
【0043】
このとき、前記フッ素および前記炭素を全体に一様に含む撥水層と、硬質層と、を組み合わせて本硬質撥水性酸化シリコン皮膜を構成してもよいが、高い整合性が得られるとは言え、完璧な整合性とは言えない。
そこで、本硬質撥水性酸化シリコン皮膜では、前記撥水層は、前記硬質層との境界部分に、前記炭素および前記フッ素の含有濃度が境界方向に向かうにつれ傾斜的に低下してその境界面においてほぼゼロとなる傾斜層をもつことが望ましい。この傾斜層により、硬質層との境界面でほぼ完璧な整合性が得られる。それゆえ、それらの層の密着性が極めて高くなる。
【0044】
【作用】
上記撥水性酸化シリコン皮膜は、酸化シリコンを含むため耐摩耗性および耐擦傷性に優れる。また、フッ素と炭素の結合を含有するため撥水性に優れる。さらに、コーティング溶液の調製等を経ずに形成され、必要最小限の原料から生成された分子レベルの分解反応物からなるため、皮膜中に含まれる不純物が少ないことや、組成のむらがないなどの理由により、従来の撥水性酸化シリコン皮膜より撥水性に優れる。
【0045】
この撥水性酸化シリコン皮膜で、互いに結合したフッ素と炭素が皮膜中に均一に分散している形態のものは、撥水性の持久性および耐候性に優れる。また、フッ素が10〜50at%含まれるものは撥水性に優れる。さらに、可視光の透過率が90〜95%であるものは透光性に優れる。
本発明の撥水性酸化シリコン皮膜の製造方法により、撥水性および耐摩耗性に優れる撥水性酸化シリコン皮膜を、容易に、低温でかつ母材と密着性良く形成することができる。また、皮膜形成工程において、シリコン含有分解反応物およびフッ素含有分解物をそれぞれ任意の堆積速度で同時に母材上に堆積することができ、また任意の膜厚の撥水性酸化シリコン皮膜を形成することができるため、フッ素が皮膜中に均一に分散した形態のものや、任意のフッ素含有量のもの、任意の透過率のもの等を形成することができる。具体的には、フッ素が10〜50at%含まれるものや、可視光の透過率が90〜95%であるものなどを製造することができる。
【0046】
上記硬質撥水性酸化シリコン皮膜では、撥水層が高い撥水性能を発揮し、硬質層が高い硬質性能を発揮するため、高い撥水性および高い硬度が得られる。また、これらの層が高い密着性で接着されており、互いに剥がれにくいため、高い機械的強度が得られる。さらに、いずれの層にも可視光の高い透過率をもつものを用いることにより、可視光の高い透過性を得ることができる。
【0047】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。なお、実施例1〜7、実施例9および10は参考例である。
(実施例1)
本実施例の撥水性酸化シリコン皮膜の形成には、シリコン化合物としてテトラメチルシラン(関東化学製)を用い、フッ素化合物としてnの値が8のフルオロアルキルシラン(以下、FAS−17と称する)(CF(CFCHCHSi(OCH)(信越化学製;KBM7803)を用い、母材としてSi基板(サイズ;30×30×0.5mm)を用いた。
【0048】
また、皮膜形成装置としては、マイクロ波により真空放電を起こさせて低温プラズマを発生することができるマイクロ波プラズマCVD装置を使用した。なお、この装置では、原料ガスをマイクロ波プラズマにより化学反応を起こさせ、この化学反応により生成した反応生成物を下方に設置した基板等の表面上に移動させて堆積させることにより基板等に皮膜を形成するダウンストリーム方式を採用した皮膜形成装置である。図1に、この皮膜形成装置1の概略図を示す。
【0049】
この皮膜形成装置1は、シリコン化合物含有ガスおよびフッ素化合物含有ガスが分解反応される反応容器2と、基板4が設置され反応容器2内で生成した分解反応物を基板4上に堆積させる堆積容器6と、マイクロ波を発生することができるマイクロ波電源8と、真空引き用のロータリーポンプ10と、シリコン化合物を供給することができるシリコン化合物供給源12と、フッ素化合物を供給することができるフッ素化合物供給源14と、を主要な構成としてなる。
【0050】
反応容器2は、一端が閉じ、かつ他端が開口した筒状の石英管(サイズ;長さ270mm、内径51mm、外径57mm)からなり、開口端部分16が堆積容器6の天井部分18を貫通して連結されている。反応容器2の内部はこの開口端部分16を通して堆積容器6内と連通している。
また、堆積容器6では、容器内に基板ホルダー20が設けられ、この基板ホルダー20上に基板4を設置することができる。この基板ホルダー20では、基板4を反応容器2の中心部分から100〜450mmの位置に設置することができる。
【0051】
マイクロ波電源8は導波管22を介して反応容器2と連結され、マイクロ波電源8で発生させた所定の出力のマイクロ波は導波管22を通して反応容器2内に送ることができる。このとき、反応容器2はその中央付近で導波管22のキャビティー24に固定され、導波管22に取り付けられたスリースタブチューナー26およびプランジャー27によりマイクロ波の入射波と反射波を調節して一定の強さのマイクロ波を反応容器2内に送ることができる。なお、キャビティー24は、マイクロ波電源8およびスリースタブチューナー26を連結、固定するだけでなく、導波管22を通過してくるマイクロ波を反応容器に効率よく伝える役割を果たす。このマイクロ波により反応容器2内に真空放電を生じさせ、安定した低温プラズマ28を反応容器2内に発生させることができる。
【0052】
また、ロータリーポンプ10、シリコン化合物供給源12およびフッ素化合物供給源14は、堆積容器6に連結されており、ロータリーポンプ10により堆積容器6と直結する反応容器2内を最高1Paの真空度にすることができ、シリコン化合物供給源12およびフッ素化合物供給源14により堆積容器6内にシリコン化合物含有ガスおよびフッ素化合物含有ガスを供給することができる。
【0053】
シリコン化合物供給源12では、液体状態のシリコン化合物が容器内に入れられており、これを蒸発、気化させることにより、シリコン化合物含有ガスを供給することができる。また、フッ素化合物供給源14では、液体状態のフッ素化合物が容器内に入れられており、これを蒸発、気化させることにより、フッ素化合物含有ガスを供給することができる。なお、フッ素化合物の沸点が高い場合、容器の外に巻き付けて取り付けられたリボンヒーターを用いて所定の加熱温度で容器内の液体状態にあるフッ素化合物を加熱して蒸発、気化させることができる。さらに、フッ素化合物供給源14には、キャリアガス供給源29よりキャリアガスを導入できるように配管が施されており、液体状態にあるフッ素化合物を通じて容器内に導入し、導入管から堆積容器6内へと移動させることができる。このキャリアガスは真空放電を安定させるガスとして働き、フッ素化合物含有ガスの輸送を促進することにより、気体状態にあるフッ素化合物を安定して供給することができる。なお、本実施例では、キャリアガスとしてアルゴンガスを用いた。
【0054】
これらシリコン化合物含有ガスおよびフッ素化合物含有ガスは、それぞれ導入管を通じて堆積容器6へそれぞれ導入され、堆積容器6を通して反応容器2内に混合ガスの状態で充満される。このとき、シリコン化合物含有ガスおよびフッ素化合物含有ガスの導入量は、それぞれの導入管に取り付けられたニードルバルブ30、30で調節することができる。そして、それぞれの導入量を調節することによりシリコン化合物含有ガスおよびフッ素化合物含有ガスを所望の分圧に調節することができ、反応容器2内の圧力を所定の圧力とすることができる。
【0055】
反応容器2内のシリコン化合物含有ガスおよびフッ素化合物含有ガスは、低温プラズマによりシリコン化合物およびフッ素化合物が分解され、シリコン含有分解反応物およびフッ素含有分解反応物が生成される。これら生成されたシリコン含有分解反応物およびフッ素含有分解反応物は、堆積容器6内の基板4上に移動させて堆積させることができる。
【0056】
また、基板温度は、外部からの加熱を特に行わない場合、低温プラズマ28の放射熱などにより最高で80℃程度になる。そこで、基板温度を100〜400℃の温度範囲で加熱できる抵抗加熱装置(図示せず)が基板ホルダー20に取り付けられており、基板温度をこの温度範囲で任意に制御することができる。
本実施例では、基板4を低温プラズマ28の中心付近から100mmの位置に設置し、ロータリーポンプ10によって反応容器2および堆積容器6内を1Paまで真空引きした後、ロータリーポンプ10による真空引き速度を調節しながらシリコン化合物供給源12よりテトラメチルシランガスを反応容器2内に導入し、反応容器2内の圧力を所定の圧力でほぼ一定に維持した。続いて、フッ素化合物供給源14をリボンヒーターにより70〜80℃程度で加熱することにより、容器内の液体状態にあるFAS−17を蒸発、気化させ、このFAS−17ガスを反応容器2内に導入し、先に導入したテトラメチルシランガスと混合して混合ガスの全圧を所定の圧力とした。なお、このとき20〜50sccmのアルゴンガスをキャリアガスとして用いた。
【0057】
マイクロ波電源8の出力を300Wとして真空放電を起こさせ、この出力で真空放電を維持して低温プラズマ28を発生させ、基板温度を50℃でほぼ一定に維持しながら撥水性酸化シリコン皮膜の形成を15分間行った。
このとき、テトラメチルシランガスの所定の圧力を12.5Pa、15.0Pa、20.0Pa、25.0Paから選択し、またこのテトラメチルシランガスの所定の圧力に対応させてFAS−17ガスの分圧を12.5Pa、15.0Pa、20.0Pa、25.0Paから選択し、混合ガスの全圧を25.0Pa、30.0Pa、40.0Pa、50.0Paとして4種類の撥水性酸化シリコン皮膜を作製した。
【0058】
これらの撥水性酸化シリコン皮膜について、膜厚、接触角および可視光透過率の評価を行った。なお、それぞれの測定は次の手段を用いて行った。なお、後述する他の実施例のものについても、これと同様に評価を行った。
膜厚は表面粗さ計(Mitsutoyo製、Surftest SV−600)を用いて測定した。撥水性は蒸留水の静的接触角(液滴径約2mmφ)を液滴法により25℃の雰囲気下で接触角計(協和界面科学製、CA−X150型)により測定した。可視光透過率はダブルビーム分光光度計(島津製作所製、UV−3101PC)を用いて測定した。
【0059】
図2に、得られた4種類の撥水性酸化シリコン皮膜の水滴との静的接触角を示す。図2より、これらの撥水性酸化シリコン皮膜の水滴との静的接触角は115〜160°であることがわかる。この水滴との静的接触角は、テフロンの水滴との静的接触角の108°を超えており、得られた4種類の撥水性酸化シリコン皮膜は撥水性に非常に優れることがわかる。特に、混合ガスの全圧を50.0Paとして作製した撥水性酸化シリコン皮膜は160°の水滴との静的接触角をもち、150°を超える非常に高い撥水性(超撥水性)をもつことがわかった。
【0060】
また、図2より、これらの撥水性酸化シリコン皮膜の成膜速度は25〜120nm/minで、混合ガスの全圧が大きくなるに従って成膜速度が大きくなることがわかった。
さらに、混合ガスの全圧を25.0Pa、30.0Paとして作製した撥水性酸化シリコン皮膜は、可視光の透過率が93%であり、透光性に優れることがわかった。
(実施例2)
シリコン化合物としてトリメチルメトキシシラン(関東化学製)を用い、トリメチルメトキシシランの所定の圧力を25.0Paとし、また、フルオロアルキルシランの分圧を25.0Paとして、混合ガスの全圧を50.0Paとし、基板温度を50℃、100℃、200℃、300℃から選択して一定とする以外は実施例1と同様にして、基板温度の異なる4種類の撥水性酸化シリコン皮膜を作製した。これらの基板温度はアルメル・クロメル熱電対により測定した。なお、断らない限り、以下の基板温度はすべてこの測定手段により測定した。
【0061】
このとき基板温度50℃で作製した撥水性酸化シリコン皮膜について、赤外線吸収分析法(IR)により赤外線の透過率の測定を行い、赤外線吸収スペクトルを透過率より求め、皮膜中の結合形態を調べた。この測定結果を図3に示す。なお、図3では横軸に赤外線の波数を示し、縦軸には透過率を示した。
図3により、Si−O−Siの結合間の伸縮振動に起因する赤外線の吸収ピークが、1070/cm、800/cm、および460〜410/cmの波数付近で確認され、さらに、Si−Oの結合間の伸縮振動に起因する赤外線の吸収ピークが850/cmの波数付近で確認されたことより、皮膜中に酸化シリコンが含まれていることがわかった。また、CF3−、−CF2−中のC−Fの結合間の伸縮振動に起因する赤外線の吸収ピークが、1260〜1200/cmおよび1120/cmの波数付近で確認されたことより、フッ素と炭素が互いに結合してC−F結合の形態で皮膜中に含まれていることがわかった。
【0062】
また、静的接触角を図4に示す。図4より、これらの撥水性酸化シリコン皮膜の水滴との静的接触角は102〜110°であることがわかり、いずれの撥水性酸化シリコン皮膜についても優れた撥水性をもつことがわかる。
(実施例3)
シリコン化合物として、ジメチルジメトキシシラン(関東化学製)を用いる以外は実施例2と同様にして4種類の撥水性酸化シリコン皮膜を作製した。
【0063】
このとき得られた4種類の撥水性酸化シリコン皮膜について、水滴との静的接触角を図5に示す。図5より、これらの撥水性酸化シリコン皮膜の水滴との静的接触角は95〜100°であることがわかり、いずれの撥水性酸化シリコン皮膜についても優れた撥水性をもつことがわかる。
(実施例4)
シリコン化合物として、メチルトリメトキシシラン(関東化学製)を用いる以外は実施例2と同様にして4種類の撥水性酸化シリコン皮膜を作製した。
【0064】
このとき得られた4種類の撥水性酸化シリコン皮膜について、水滴との静的接触角を図6に示す。図6より、これらの撥水性酸化シリコン皮膜の水滴との静的接触角は90〜94°であることがわかり、いずれの撥水性酸化シリコン皮膜についても優れた撥水性をもつことがわかる。
また、ステンレス鋼製のチップによるひっかき試験の結果、耐擦傷性に優れていることがわかった。
(実施例5)
シリコン化合物として、テトラメトキシシラン(以下、TMSと称する)(関東化学製)を用いる以外は実施例2と同様にして4種類の撥水性酸化シリコン皮膜を作製した。
【0065】
このとき得られた4種類の撥水性酸化シリコン皮膜について、水滴との静的接触角を図7に示す。図7より、これらの撥水性酸化シリコン皮膜の水滴との静的接触角は80〜93°であることがわかり、いずれの撥水性酸化シリコン皮膜についても優れた撥水性をもつことがわかる。
また、ステンレス鋼製のチップによるひっかき試験の結果、耐擦傷性に優れていることがわかった。
(実施例6)
シリコン化合物として、テトラエトキシシラン(関東化学製)を用いる以外は実施例2と同様にして4種類の撥水性酸化シリコン皮膜を作製した。
【0066】
このとき得られた4種類の撥水性酸化シリコン皮膜の水滴との静的接触角については図示しないが、実施例5の撥水性酸化シリコン皮膜とほぼ同じ水滴との静的接触角をもつことがわかり、いずれの撥水性酸化シリコン皮膜についても優れた撥水性をもつことがわかった。
また、ステンレス鋼製のチップによるひっかき試験の結果、耐擦傷性に優れていることがわかった。
(実施例7)
シリコン化合物として、ヘキサメチルジシラン(以下、HMDSと称する)を用いる他は、実施例と同様にして撥水性酸化シリコン皮膜を作製した。
【0067】
この撥水性酸化シリコン皮膜膜について、それぞれの接触角を測定した。その測定結果を図14に示す。
(実施例8)
FAS−17ガスのキャリアガスとしてArガスの代わりにHガスを使用して、このFAS−17ガス中に水素ガスを含ませる他は、実施例と同様にして撥水性酸化シリコン皮膜を作製した。
【0068】
これらの撥水性酸化シリコン皮膜は、どれもアルゴンを用いた膜よりも高い撥水性をもつことがわかった。特に、基板温度200℃以上では単独の撥水膜と同様の接触角が得られた。また、XPS測定の結果、上層の酸素含有量がアルゴンを用いた場合と比べて大幅に低下していることが確認された。
(実施例9)
本実施例では、撥水層と硬質層とからなり、該撥水層の表面が最表面となるように基材上にそれぞれ配置されてなる硬質撥水性酸化シリコン皮膜を作製した。
この皮膜は、この撥水層が、硬質層との境界部分に、前記炭素および前記フッ素の含有濃度が境界方向に向かうにつれ漸次低下してその境界面においてほぼゼロとなる傾斜層をもつ。
【0069】
本実施例では、まず最初に硬質層を基板上に形成してからこの硬質層の上に傾斜層を形成し、続いて撥水層をその傾斜層の上に形成して硬質撥水性酸化シリコン皮膜を作製した。この硬質層の形成にはTMSガスと酸素ガスとを原料ガスとして用い、これらの原料ガスを気相反応させて形成した。また、撥水層の形成にはFAS−17ガスとTMSガスとを原料ガスとして用い、これらの原料ガスを気相反応させて形成した。これら一連の層形成過程を図8に模式的に示す。
【0070】
本実施例の硬質撥水性酸化シリコン皮膜の作製手順を図1および図8を用いながら以下に説明する。なお、これらの層の形成には、いずれも図1に示したマイクロ波プラズマCVD装置を使用した。また、硬質撥水性酸化シリコン皮膜の作製に先立ち、基板としてシリコンウエハー(10mm×10mm×0.5mm)を用意し、プラズマ中心から約100mm離れた位置にこの基板を設置した。また、約5分間基板を酸素プラズマ(20Pa)に曝し、あらかじめ基板表面の不純物を除去した。
【0071】
まず、反応容器6をロータリーポンプ10により1Paまで排気した後、TMSガス用のシリコン化合物供給源12を室温に保持し、その蒸気を反応容器6内に導入した。このとき、基板4の上部約10mmからTMSガスを、また、酸素ガスは石英管2の上部から導入した。これら原料ガスを導入した後、成膜条件を次のように設定して成膜を行った。
【0072】
全圧およびマイクロ波出力はそれぞれ50Pa、300Wと一定にした。酸素分圧比(O2 (Pa)/全圧(Pa))は、本発明者らの研究により最適硬さが得られることがわかっている80%を採用した。基板温度は後述する温度で一定に保持した。成膜時間は膜厚が1.0μm以上となるように選択した。
こうして図8の(a)に示すように、基板上に硬質層100が形成された。この硬質層100は、後述の比較例1において得られる皮膜と同じものである。
【0073】
次に、先に保持した基板温度を維持しつつ、酸素ガスの供給をニードルバルブ30により徐々に減少させ、代わりにFAS−17をキャリアガスのArを用いて反応容器6内に導入した。ここでは、FAS−17用のフッ素化合物供給源14を約70℃に保持し、その蒸気を反応容器6内に導入した。また、FAS−17蒸気の凝縮を避けるため、ガス導入管も約70℃に保持した。一方、Ar流量はマスフローコントローラーにより20sccmに制御した。こうして図8の(b)に示すように、硬質層100の上に傾斜層200が形成された。
【0074】
続いて、全圧が50PaでTMSとFAS−17/Arの分圧比が25Pa:25Paになるようにニードルバルブ30で調整し、1〜5分間成膜を実施した。こうして図8の(c)に示すように、傾斜層200の上に撥水層300が形成された。
本実施例では、基板温度を制御しない条件(約70℃)と、外部からの抵抗加熱により100℃、200℃および300℃と、のように350℃までの温度範囲でほぼ一定に制御した条件とでそれぞれ4種類の硬質撥水性酸化シリコン皮膜を作製した。以下、特に断らない限り、4種類とはこれらの基板温度の種類を指す。
【0075】
これらの硬質撥水性酸化シリコン皮膜では、いずれも約1.0μm以上の膜厚を有した。また、これらの皮膜では、基板/皮膜、硬質層/傾斜層ともそれぞれ良好な密着性をもつことがわかった。これは、碁盤目剥離試験において、基板/皮膜、硬質層/傾斜層の境界(界面)での剥離が観察されなかったことで確認した。次に、それらの接触角および硬度について、それぞれ以下のように評価を行った。
【0076】
まず、接触角の測定結果を図9に示す。比較のために、実施例5の撥水性酸化シリコン皮膜の接触角を図9に併せて示した。
図9より、いずれも100°以上の高い接触角をもつことがわかる。ただし、実施例5のものに比べるとやや劣る。また、基板温度が低温であるほど、より高い接触角が得られることもわかる。
【0077】
次に、硬度の測定結果を図10に示す。なお、ここでは、ダイナミック超微小硬度計(島津製作所製,DUH−200)を用いて超微小硬度を測定した。圧子はヌープ圧子を用い、最大荷重は0.50gfに設定した。
図10より、いずれの皮膜も高い硬度をもつことがわかる。特に、200℃以上の基板温度で得られたものは比較例1の皮膜と同等の硬度をもち、その硬度は極めて高いことがわかる。
【0078】
一方、100℃以下の基板温度で得られたものは、200℃以上の基板温度で得られたものと比べると硬度が小さいことが確認された。これは、撥水層の厚さの違いによるものと考える。前者の形成速度は、後者のものに比べると、約60〜100nm/minと非常に早いことがわかっている。ここでは、それぞれの成膜時間が同じであるため、前者の方が、後者に比べて厚い撥水層が形成されている。それゆえ、100℃以下の基板温度で得られたものは、硬質層の硬さが反映されていないために硬度が小さくなったと考えられる。
【0079】
そこで、100℃以下の基板温度で得るものにおいて、撥水層の成膜時間を1分間と、先のものより成膜時間を小さくして成膜を実施したところ、硬度は200℃以上の基板温度で得られたものとほぼ同等の値を示した。それらの皮膜の硬度を図10に併せて示した(図中の△印)。このときの接触角は、撥水層の成膜時間が短くなるに従い若干低下したものの、105〜112°とPTFE(108°)並みの高い撥水性を示した。
【0080】
以上のように、本実施例の硬質撥水性酸化皮膜は、実施例5の撥水性酸化シリコン皮膜に比べるとやや接触角で劣るものの、優れた撥水性をもち、かつ極めて高い硬度をもつことがわかった。また、成膜時の基板温度の違いによって、接触角および硬度に違いが出てくることもわかった。そこで、本実施例の皮膜が実施例5のものに比べてやや接触角で劣る原因、並びに基板温度によって接触角および硬度が違ってくる原因を突き止めるべく、これらの皮膜での化学結合状態および化学組成についてそれぞれ以下のように評価した。
【0081】
まず、本実施例の皮膜と実施例5の皮膜とについて、それらの表面部分の化学結合状態を測定した。その分析結果を表1に示す。なお、化学結合状態の分析には、XPS(島津製作所製、ESCA1000)およびFTIR(JASCO製、FT/TR5300)を用いた。
【0082】
【表1】

Figure 0003945664
表1より、本実施例のいずれの皮膜においても、その表面では、撥水性に寄与するF/SiおよびF/C値が減少していること、親水性の増加に寄与するO/F値が増加していること、並びに皮膜の無機化を示すC/Si値が減少していることがそれぞれ確認された。この測定結果からも明らかなように、本実施例で得られた皮膜の表面は、実施例5の皮膜の表面よりも親水化していることがわかる。これは、成膜途中で反応容器内に導入するガスを酸素からFAS−17/Arに切り替える際、プラズマ雰囲気中に残存する酸素がFAS−17の分解および皮膜中への極性基(水素基等)の生成を促進したためと考えられる。それゆえ、本実施例の皮膜の接触角が低下したものと考えられる。
【0083】
次に、70℃の基板温度で得られた皮膜と、300℃の基板温度で得られた皮膜とについて、それぞれ皮膜の深さ方向の化学組成を分析した。それらの分析結果をそれぞれ図11および図12に示す。図11および図12において、図中の記号△は炭素、○はシリコン、●は酸素、□はフッ素を示す。なお、皮膜の深さ方向の化学組成変化はXPSのArイオンエッチング(2.0kV、30mA)により測定した。この測定では、エッチング深さはエッチング時間に比例して大きくなる。
【0084】
図11から明らかなように、70℃の基板温度で得られた皮膜では、エッチング時間が約120分を越えたあたりから、フッ素および炭素濃度の著しい減少が観察され、反対に、シリコンおよび酸素濃度の増加が確認された。一方、図12から明らかなように、300℃の基板温度で得られた皮膜では、エッチング時間が約30分を越えたあたりから、同様の傾向が観察された。
【0085】
以上の化学組成の分析結果から、70℃の基板温度で得られた皮膜の方が300℃の基板温度で得られたものよりも撥水層の厚さが大きいことがわかる。即ち、100℃以下の基板温度で得られた皮膜の方が200℃以上の基板温度で得られたものよりも撥水層の厚さが大きい。このように選択する基板温度によって、その撥水層の質および厚さが異なってき、ひいては皮膜の撥水性および硬度が異なってくる。
【0086】
最後に、本実施例で得られた皮膜の可視光透過率について測定した。その測定の結果、いずれの皮膜においても、可視光領域での透過率が90%以上で、未処理のガラス基板と変わらないことがわかった。図13に、200℃の基板温度で得られた皮膜の可視光透過率の測定結果を一例として示した。なお測定にあたっては、リファレンスに空気を使用した。
【0087】
以上の評価により、本実施例の硬質撥水性酸化シリコン皮膜は、撥水性に優れかつ硬度が大きく、さらに可視光の透過率も大きいことが明らかとなった。
(比較例1)
傾斜層300および撥水層を形成しない以外は、実施例9と同様にして4種類の皮膜を形成した。
【0088】
これらの皮膜はいずれも膜中にSi−O−Siの結合をもち、そのシリコンおよび酸素濃度がそれぞれ、30at.%および60at.%であることがわかった。さらに、これらの硬質酸化シリコン皮膜は、いずれもホウ珪酸ガラスに匹敵する硬さをもつことがわかった。さらに緻密な皮膜であることも確認された。
(実施例10)
TMSの代わりにヘキサメチルジシラン(以下、HMDSと称する)を用いる他は、実施例9と同様にして4種類の硬質撥水性酸化シリコン皮膜を作製した。
【0089】
また、これらの硬質撥水性酸化シリコン皮膜では、いずれも実施例9で同じ基板温度条件で得られたものとほぼ同じ接触角および硬度をそれぞれもつことがわかった。しかし、実施例9での撥水層の成膜速度は、約10〜25nm/minであったのに対し、本実施例のものでは約70〜100nm/minと非常に大きかった。
(実施例11)
FAS−17ガスのキャリアガスとしてArガスの代わりにH2ガスを使用して、このFAS−17ガス中に水素ガスを含ませる他は、実施例9と同様にして4種類の硬質撥水性酸化シリコン皮膜を作製した。
【0090】
これらの撥水性酸化シリコン皮膜では、いずれも実施例9で同じ基板温度条件で得られたものよりも高い撥水性をそれぞれもつことがわかった。特に、基板温度200℃以上では単独の撥水膜と同様の接触角が得られた。また、XPS測定の結果、いずれの撥水層の酸素含有量も、実施例9でそれぞれで得られたものと比べて大幅に低下していることが確認された。
(実施例12)
TMSの代わりにHMDSを用いる他は、実施例11と同様にして4種類の硬質撥水性酸化シリコン皮膜を作製した。
【0091】
これらの硬質撥水性酸化シリコン皮膜について、それぞれの接触角を測定した。その測定結果を図14に示す。比較のために、実施例7および実施例10で得られたものの測定結果についても図14に併せて示した。
図14より、本実施例のいずれの皮膜も優れた撥水性をもち、特に実施例10の同じ基板温度の条件で得られた皮膜よりも高い撥水性をそれぞれもつことがわかった。この結果より、キャリアガスにH2ガスを用いたほうが、アルゴンガスを用いるよりも高い撥水性が得られることがわかる。
【0092】
ただし、200℃以下の基板温度で得られた皮膜は、実施例7の同じ基板温度の条件で得られた皮膜よりもそれぞれ撥水性でやや劣ることがわかった。しかしながら、硬度についてはここでは図示しないが、いずれも実施例7の同じ基板温度条件で得られた皮膜よりも高いことがわかった。
【0093】
【発明の効果】
上記撥水性酸化シリコン皮膜は、撥水性、耐摩耗性および耐擦傷性に優れるため、これらのような性能に劣る製品等に用いることにより、これらの製品の撥水性、耐摩耗性および耐擦傷性を向上させることができる。
また、上記撥水性酸化シリコン皮膜は、撥水性の持久性および耐候性に優れるため、摩耗頻度が大きい環境下や雪や氷の付着の著しい環境下などで使用される製品等に用いることにより、これらの製品の撥水性の持久性および耐候性を向上させることができる。
【0094】
本発明の撥水性酸化シリコン皮膜の製造方法により、撥水性および耐摩耗性に優れる撥水性酸化シリコン皮膜を、容易に、低温でかつ母材と密着性良く形成することができるため、製造コスト等を低減することができ、また、耐熱温度の低い製品においても、品質を低下させることなく、撥水性、耐摩耗性および耐擦傷性に優れた撥水性酸化シリコン皮膜を製造することができる。
【0095】
具体的には、300以下の低温で硬質な撥水性酸化シリコン皮膜が作製できるため、耐熱性、耐摩耗性の低い材料の表面硬質、高機能化に有効な方法である。特に、100℃以下の低温でこうした皮膜を作製できることから、プラスチックのような材料に適用できる。
また、フッ素が皮膜中に均一に分散した形態の撥水性酸化シリコン皮膜を、容易に、低温でかつ密着性良く形成することができるため、撥水性の持久性および耐候性に優れた撥水性酸化シリコン皮膜を、低コストで、かつ耐熱温度の低い製品においても、品質を低下させることなく製造することができる。
【0096】
また、任意のフッ素含有量の撥水性酸化シリコン皮膜を、容易に、低温でかつ密着性良く形成することができるため、撥水性に優れた撥水性酸化シリコン皮膜を、低コストで、かつ耐熱温度の低い製品においても、品質を低下させることなく製造することができる。
さらに、母材上に有機塗料等を用いて描かれた文字、絵画等の上に、透光性に優れた撥水性酸化シリコン皮膜を低温で形成できるため、文字、絵画の変色、劣化等を生じさせることなく、撥水性酸化シリコン皮膜を形成できる。
【0097】
上記硬質撥水性酸化シリコン皮膜は、撥水性および耐摩耗性に極めて優れ、かつ機械的強度にも優れるため、撥水性、耐摩耗性の低い材料に用いることによってその性能を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この図は、本実施例で使用した皮膜形成装置を示す概略図である。
【図2】この図は、実施例1で得られた撥水性酸化シリコン皮膜の水滴との静的接触角を示すグラフである。
【図3】この図は、実施例2で得られた撥水性酸化シリコン皮膜について、赤外線吸収分析法(IR)により赤外線の透過率を測定した結果を示す図である。
【図4】この図は、実施例2で得られた4種類の撥水性酸化シリコン皮膜の水滴との静的接触角を示すグラフである。
【図5】この図は、実施例3で得られた4種類の撥水性酸化シリコン皮膜の水滴との静的接触角を示すグラフである。
【図6】この図は、実施例4で得られた4種類の撥水性酸化シリコン皮膜の水滴との静的接触角を示すグラフである。
【図7】この図は、実施例5で得られた4種類の撥水性酸化シリコン皮膜の水滴との静的接触角を示すグラフである。
【図8】この図は、実施例9の撥水性酸化シリコン皮膜の作製過程を模式的に示した図である。
【図9】この図は、実施例5および実施例9で得られた撥水性酸化シリコン皮膜の水滴との静的接触角をそれぞれ示すグラフである。
【図10】この図は、実施例9および比較例1で得られた撥水性酸化シリコン皮膜の硬度をそれぞれ示すグラフである。
【図11】この図は、実施例9で得られた撥水性酸化シリコン皮膜のひとつの深さ方向の組成変化を示す図である。
【図12】この図は、実施例9で得られた撥水性酸化シリコン皮膜のひとつの深さ方向の組成変化を示す図である。
【図13】この図は、実施例9で得られた撥水性酸化シリコン皮膜について、それらの可視光透過率の一例を示すグラフである。
【図14】この図は、実施例7、実施例10および実施例12で得られた撥水性酸化シリコン皮膜、もしくは硬質撥水性酸化シリコン皮膜の水滴との静的接触角をそれぞれ示すグラフである。
【符号の説明】
1:皮膜形成装置 2:反応容器 4:基板 6:堆積容器 8:マイクロ波電源 10:ロータリーポンプ 12:シリコン化合物供給源 14:フッ素化合物供給源 16:開口端部分 18:天井部分 20:基板ホルダー 22:導波管 24:キャビティー 26:スタブチューナー 27:プランジャー 28:低温プラズマ 29:アルゴンガス供給源 30:ニードルバルブ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a water-repellent silicon oxide film having water repellency, abrasion resistance and scratch resistance, a method for producing the water-repellent silicon oxide film, and a hard water-repellent silicon oxide film.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, water-repellent treatment by surface modification such as forming a water-repellent film for the purpose of repelling water on the surface of glass products, resin products, metal products, semiconductor products, wood products, fibers, building materials, etc. Has been made.
Such water-repellent films include Teflon and surface science Vol. 14, no. 9, fluorine-containing SiO disclosed in pp 540-545, 19932Thin films are known.
[0003]
Teflon has a water droplet static contact angle of 108 ° and is excellent in water repellency, but has a problem of poor wear resistance. Meanwhile, the fluorine-containing SiO2The thin film is formed by a sol-gel method using a coating solution prepared by mixing tetraethoxysilane and fluoroalkylsilane in a liquid state, and a glass substrate, containing silicon oxide as a main component and containing fluorine. Therefore, it is known as a material that is excellent in abrasion resistance because it contains silicon oxide as a main component and that has excellent water repellency because it contains fluorine.
[0004]
However, the formation of a water-repellent silicon oxide film using this sol-gel method requires a solvent such as ethanol during the preparation of the coating solution, and uses tetraethoxysilane and fluoroalkylsilane in a liquid state. If it is high, it is difficult to adjust the concentration of the coating solution. Furthermore, since a high-temperature heat treatment at 350 ° C. or higher is required after the coating solution is applied to the surface, a product having a low heat-resistant temperature has a problem that the quality is deteriorated by the high-temperature heat treatment. Also, with this method, fluorine concentrates near the surface of the film as the solvent evaporates during drying and curing, so that a water-repellent silicon oxide film in a form in which fluorine is uniformly dispersed in the film can be obtained. It was difficult. This water-repellent silicon oxide film in a form in which fluorine is concentrated in the vicinity of the surface has a problem that the water repellency is lowered if the fluorine-concentrated portion is scraped off due to abrasion or the like.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
[0006]
  The present invention has been made in view of the above circumstances,Provided is a method for easily producing a water-repellent silicon oxide film having excellent water repellency, abrasion resistance and scratch resistance without requiring preparation of a coating solution and high-temperature heat treatment, at low temperature and with good adhesion to a base material. Aimed at.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor uses a silicon compound gas containing a silicon compound and a fluorine compound gas containing a fluorine compound, and decomposes the silicon compound and the fluorine compound in a gas phase to thereby produce a silicon-containing decomposition reaction product and a fluorine-containing decomposition reaction product. A silicon-containing decomposition reaction product and a fluorine-containing decomposition reaction product were produced in such a manner that at least one of them contained oxygen and at least one of them contained carbon. And it discovered that the water-repellent silicon oxide film formed by depositing these silicon-containing decomposition products and fluorine-containing decomposition reaction products on the base material was excellent in water repellency, abrasion resistance and scratch resistance, and The present inventors have found that a water-repellent silicon oxide film having such properties can be easily formed at a low temperature and with good adhesion to a base material, and the present invention has been achieved.
[0009]
  That is,In the method for producing a water-repellent silicon oxide film of the present invention, at least one of a silicon compound and a fluorine compound contains oxygen, and at least one of the silicon compound and the fluorine compound uses a compound containing carbon. Containing silicon compoundContainsGas,Along with carrier gas including hydrogen gasFluorine compound containing the fluorine compoundContainsA raw material gas preparation step in which each gas is a raw material gas, and a silicon-containing decomposition reaction product obtained by decomposing the silicon compound and the fluorine compound contained in the raw material gas in a gas phase. At least one of the fluorine-containing decomposition reaction product contains oxygen, and at least one of the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product contains carbon, the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction. The silicon-containing decomposition reaction product generation step for generating a product, and the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product generated in the decomposition reaction product generation step are deposited on a base material. Silicon oxide bonded to the oxygen contained in at least one of the decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product, and the fluorine-containing decomposition reaction of the silicon And wherein the film forming step of forming a film containing a said fluorine and said carbon bound to the carbon contained in at least one, of the fluorine-containing decomposition reaction, in that it consists of.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Water-repellent silicon oxide film of the present inventionAn embodiment of the manufacturing method of the present invention, together with a water-repellent silicon oxide film and a hard water-repellent silicon oxide film,Each will be described below.
(Water repellent silicon oxide film)
  RepellentThe aqueous silicon oxide film is composed of a silicon-containing decomposition reaction product produced by decomposing a silicon compound in the gas phase and a fluorine-containing decomposition reaction product produced by decomposing the fluorine compound in the gas phase. It is a film. A silicon compound and a fluorine compound are compounds in which at least one of these compounds contains oxygen, and at least one of these compounds contains carbon. Silicon is contained in the form of silicon oxide bonded to oxygen contained in at least one of these decomposition products, and fluorine is contained in the form bonded to carbon contained in at least one of these decomposition products.
[0012]
The silicon compound used at this time is not particularly limited in its kind, but is preferably an organic silicon compound. Organosilicon compounds are preferred because they are often in a gaseous state at room temperature and are easily decomposed in the gas phase. Organic silicon is preferable because it contains not only silicon but also carbon, which can be used for bonding with fluorine.
[0013]
The organosilicon compound used at this time is preferably an organoalkoxysilane. Organoalkoxysilane is easy to evaporate due to its high vapor pressure, and can be supplied stably without heating or using carrier gas, etc. Cost can be reduced.
[0014]
  Also,Organosilicon compoundAs tetramethylsilane ((CH3)4Si), tetraethoxysilane (Si (OC2H5)4), Tetramethoxysilane (Si (OCH3)4), Methyltrimethoxysilane (CH3Si (OCH3)3), Dimethyldimethoxysilane ((CH3)2Si (OCH3)2), Trimethylmethoxysilane ((CH3)3Si (OCH3)), Hexamethyldisilane ((CH3)6Si2) And hexamethyldisiloxane ((CH3)6OSi2).
[0015]
  These aboveOrganosilicon compoundIs preferred because of its low boiling point and high vapor pressure. Among organoalkoxysilanes, tetraethoxysilane, tetramethoxysilane, methyltrimethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, and trimethylmethoxysilane are preferable because they contain oxygen and can be bonded to silicon to form silicon oxide. Furthermore, a water-repellent silicon oxide film made of a silicon-containing decomposition reaction product formed from tetraethoxysilane, tetramethoxysilane, or methyltrimethoxysilane is preferable because of excellent scratch resistance.
[0016]
The fluorine compound is not particularly limited in its kind, but is preferably a silicon compound having a perfluoroalkyl group. A silicon compound having a perfluoroalkyl group is preferable because it has a low boiling point and a high vapor pressure. In addition, since silicon is included, silicon is preferably combined with oxygen to form silicon oxide. Further, a surface having a low surface free energy such as polytetrafluoroethylene (PTFE) is formed, and properties such as water repellency, lubricity and mold release are improved, and oil repellency is also exhibited.
[0017]
The silicon compound having a perfluoroalkyl group is fluoroalkylsilane (CnF2n + 1CH2CH2Si (OCHThree)Three(Where n is an arbitrary positive integer)) is desirable. Among silicon compounds having a perfluoroalkyl group, CnF2n + 1CH2CH2Si (OCHThree)ThreeFor example CnF2n + 1CH2CH2SiClThreeThe hydrolysis rate is low even when compared with, and chemically reacts with the surface of the base material to form a durable and low surface energy film.
[0018]
Further, the value of n of this fluoroalkylsilane is desirably 8 or more. Those having such a value of n are more preferable among fluoroalkylsilanes since they are particularly excellent in water repellency.
Furthermore, the silicon compound is tetramethylsilane, and the fluorine compound is a fluoroalkylsilane (CF having an n value of 8).Three(CF2)7CH2CH2Si (OCHThree)ThreeIn addition, it is desirable that the static contact angle of the water droplet is 150 ° or more.
Tetramethylsilane does not contain oxygen, but fluoroalkylsilane preferably contains oxygen and can be bonded to silicon to form silicon oxide. Further, in the water-repellent silicon oxide film, the contact angle with water droplets is further increased, and the super-water repellency can be imparted by setting the static contact angle of water droplets to 150 ° or more.
[0019]
  RepellentIn the case of the aqueous silicon oxide film, the film shape, film area, film thickness and the like are not particularly limited, and can be arbitrarily selected depending on the application.
  RepellentIn the case of an aqueous silicon oxide film, the coexistence form of the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product is not particularly limited, but the silicon-containing decomposition reaction product does not contain silicon oxide in which silicon and oxygen are bonded. In addition, when the fluorine-containing decomposition reaction product does not contain fluorine and carbon bonded to each other, the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product chemically react with each other to generate silicon oxide or fluorine and carbon combined with each other. A coated film.
[0020]
  Also,In the water-repellent silicon oxide film, it is desirable that the silicon oxide has a bonded form represented by Si—O—Si. This silicon oxide has a high bonding force, increases the hardness of the film, and improves the wear resistance and scratch resistance.
  Also,In the water-repellent silicon oxide film, it is desirable that the fluorine and the carbon form a functional group having a C—F bond. Since the fluorine atom F has a small atomic radius and high electronegativity, the C—F bond energy is large and the bond distance is short. Therefore, there is only a very weak interaction within the molecule. For this reason, interaction with water which is a polar molecule becomes weak, and water repellency improves.
[0021]
  At this time, the functional group having a C—F bond is CF3A functional group represented by-or / and -CF2The functional group represented by-is desirable. Since the surface covered with these functional groups has a low critical surface tension (surface energy), the water repellency is further improved.
  further,The water-repellent silicon oxide film preferably contains a functional group composed of carbon and hydrogen having high hydrophobicity. Water repellent silicon oxide film is perfect in the tissueOroWhen the structure is long and has a rigid functional group such as an alkyl group, the structure form of the film has many gaps and it is difficult to make a dense structure form. This is not preferable because it causes a decrease in water repellency. Therefore, the water repellency can be improved by filling such a gap with a functional group having high hydrophobicity. In particular, many functional groups composed of carbon and hydrogen are highly hydrophobic and chemically stable.
[0022]
  Such a functional group is preferably a methyl group. Since the methyl group is highly hydrophobic and structurally small, it can easily fill the gaps in the film structure, and can form a very dense structure. Furthermore, it is very stable chemically.
  Also,In the water-repellent silicon oxide film, it is desirable that fluorine and carbon bonded to each other are uniformly dispersed in the film. As a result, even if the portion that becomes the surface of the film is repeatedly scraped off due to abrasion or the like, the portion that becomes the new surface always has a form in which fluorine and carbon bonded to each other are uniformly contained, and water repellency is maintained.
[0023]
Further, the content of fluorine contained in the film is not particularly limited, but it is desirable that fluorine is contained in 10 to 50 at%. Thereby, a film with low surface energy can be formed, and water repellency can be improved. At this time, if the fluorine content is less than 10 at%, the surface energy is not sufficiently lowered and sufficient water repellency cannot be obtained. Moreover, when fluorine exceeds 50 at%, hardness will become small and abrasion resistance will fall.
[0024]
Further, the visible light transmittance is not particularly limited, but the visible light transmittance is preferably 90 to 95%. This water-repellent silicon oxide film is excellent in translucency and can be used for materials requiring translucency, such as transparent plastics such as polycarbonate, transparent glass, and the like.
(Method for producing water-repellent silicon oxide film)
Next, embodiments of the method for producing a water-repellent silicon oxide film of the present invention will be described below. This manufacturing method includes three steps, that is, a raw material gas preparation step, a decomposition reaction product generation step, and a film formation step.
[0025]
  In the raw material gas preparation step, at least one of the silicon compound and the fluorine compound contains oxygen, and at least one of the silicon compound and the fluorine compound uses a compound containing carbon, and the silicon compound containing the silicon compound is used.ContainsGas and fluorine compound containing the fluorine compoundContainsGas and preparing each gas as a raw material gas.
[0026]
  Silicon compounds used in this processContainsThe gas can be prepared by vaporizing a silicon compound in a liquid state at room temperature.ContainsThe concentration of the silicon compound in the gas, the gas temperature, the gas pressure and the like are not particularly limited, but can be selected according to the application. Similarly, fluorine compoundsContainsThe gas can be prepared by vaporizing a fluorine compound in a liquid state at room temperature.ContainsThe concentration of the fluorine compound in the gas, the gas temperature, the gas pressure and the like are not particularly limited, but can be selected according to the application. When the boiling point of the silicon compound and / or fluorine compound used is high, it can be evaporated and vaporized by using an inert gas such as argon gas as a carrier gas or heating.
[0027]
  ThisFluorine compoundsContainsGas,Hydrogen gasFluorine compound with carrier gas containingIt is desirable to include. This hydrogen gas reacts with F atoms generated by decomposition from C—F bonds in the fluoroalkylsilane in a subsequent decomposition reaction product generation step, and is exhausted from the vacuum in the form of HF. Therefore, the etching of the film is suppressed. This also reduces the amount of oxygen taken into the film during the film formation process. Therefore, a water-repellent silicon oxide film having a low oxygen content can be obtained.
[0028]
In the decomposition reaction product generation step, at least one of the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product contains oxygen by causing the silicon compound and the fluorine compound contained in the source gas to decompose in the gas phase. And at least one of the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product produces the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product in a form containing carbon.
[0029]
This step is performed in an atmosphere in which an impurity gas such as air is hardly present by pre-vacuum using a vacuum pump such as a rotary pump.
The method for decomposing and reacting the silicon compound and fluorine compound contained in the source gas in the gas phase is not particularly limited, but the decomposing reaction can be performed using plasma, high heat, light or the like. Since plasma, high heat, light, and the like have high energy, the silicon compound and fluorine compound contained in the source gas can be decomposed by this high energy.
[0030]
When plasma is used at this time, the state of plasma temperature and the like is not particularly limited, but it is desirable that at least one of the silicon compound and the fluorine compound is decomposed in the gas phase using low temperature plasma. It is preferable to cause both the silicon compound and the fluorine compound to undergo a decomposition reaction in the gas phase using low-temperature plasma. If the product that forms the water-repellent silicon oxide film has a low heat-resistant temperature, the use of high-temperature plasma may reduce the quality of the product due to the high heat of this plasma. Therefore, care should be taken such that the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product are deposited at a position not affected by this. However, when using low-temperature plasma, such a precaution is not necessary, so that an arbitrary product can be placed at an arbitrary position to deposit a silicon-containing decomposition reaction product and a fluorine-containing decomposition reaction product. It is.
[0031]
  Moreover, although the generation method of low temperature plasma is not specifically limited, it is desirable to generate it by vacuum discharge using microwaves and / or high frequencies. Thereby, plasma with low gas temperature but high electron temperature can be obtained.
  In this process, silicon compoundContainsGas and fluorine compoundsContainsIt is desirable to produce a silicon-containing decomposition reaction product and a fluorine-containing decomposition reaction product in a mixed form of gas. This makes it possible to carry out the same operation in the same container, thus simplifying the apparatus for forming the water-repellent silicon oxide film, improving the work efficiency, and the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction. It is easy to produce a product.
[0032]
  At this time, silicon compoundContainsGases and fluorine compoundsContainsThe total pressure, partial pressure ratio, etc. of the gas are not particularly limited, but the silicon-containing decomposition reaction product, the fluorine-containing decomposition reaction product, and the production rate are determined in accordance with the total pressure, partial pressure ratio, etc. The total pressure, the partial pressure ratio, etc. can be selected according to the desired production rate of the decomposition reaction product.
  At this time, the formation of the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product is the silicon compoundContainsGas and the fluorine compoundContainsThe total pressure with the gas is preferably 10 Pa or higher. By generating a silicon-containing decomposition reaction product and a fluorine-containing decomposition reaction product under this pressure, uniform nucleation is performed in a low-temperature plasma, grain growth becomes remarkable, and the water-repellent silicon oxide film formed in the film forming process The unevenness of the surface becomes large.
[0033]
In the film forming step, the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product generated in the decomposition reaction product generation step are deposited on a base material, whereby the silicon is decomposed into the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine. Silicon oxide bonded to oxygen contained in at least one of the contained decomposition reaction products, and fluorine and carbon bonded to carbon contained in at least one of the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product And forming a film containing
[0034]
In this step, since the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product are deposited on the base material at the molecular level, a film can be formed with good adhesion to the base material.
Also, when the silicon-containing decomposition reaction product does not contain silicon oxide in which silicon and oxygen are bonded, or when the fluorine-containing decomposition reaction product does not contain fluorine and carbon bonded to each other, the silicon-containing decomposition reaction product and fluorine The decomposition reaction product can be deposited on the base material and chemically reacted with each other to produce silicon oxide or fluorine and carbon bonded to each other in the film.
[0035]
In this step, the temperature of the surface on which the base material film is formed is not particularly limited, but at least the surface on which the base material film is formed is heated to bring the surface temperature to 50 to 350 ° C. It is desirable. Thereby, since a thermal decomposition reaction advances, a film | membrane becomes densified and the hardness of the film | membrane obtained becomes large.
Further, the material of the base material used in this step is not particularly limited, but a material made of at least one of glass material, resin material, metal material, semiconductor material, wood, fiber, and building material is desirable. Many products that require water repellency, abrasion resistance, and scratch resistance are made of these materials, and are desirable forms.
[0036]
Also, the shape and size of the base material are not particularly limited, and the base material is fixed or moved in one, two, or three dimensions according to the shape and size of the base material. By depositing the decomposition reaction product and fluorine-containing decomposition reaction product, a water-repellent silicon oxide film can be formed on a base material having an arbitrary shape and size.
[0037]
The movement form of the generated silicon-containing decomposition reaction product and fluorine-containing decomposition reaction product to the surface of the base material is not particularly limited, but is deposited on the base material by being moved by an air current or the like. be able to.
Although there is no particular limitation on the base material installation mode, the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product are generated most, and the base material is installed at a position where the moving distance is as short as possible. It is desirable to deposit cracking reactants and fluorine-containing cracking reactants. At this time, the direction in which the film grows on the surface of the base material is not particularly limited, but the surface direction of the base material surface is selected according to the moving direction of the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product, By depositing the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product, a film can be grown in an arbitrary direction with respect to the base material surface.
[0038]
Specifically, for example, when low-temperature plasma is used, by installing a base material near the end of the low-temperature plasma, the movement distance between the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product generated in the plasma is increased. It can be deposited in almost no state. At this time, if it is installed at a position away from the vicinity of the end of the low temperature plasma, the movement distance between the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product generated in the plasma becomes long, and it is attached to the container etc. In addition, the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product cannot be deposited on the base material.
[0039]
  In the decomposition reaction product generation step, the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product can each be generated at an arbitrary generation rate.,In the film forming step, the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product can be deposited at a desired deposition rate, respectively, and a film can be formed at an arbitrary film formation rate.
(Hard water repellent silicon oxide film)
  HardAs described above, the quality water-repellent silicon oxide film is composed of at least two layers of a water-repellent layer and a hard layer, and each layer is disposed on the substrate so that the water-repellent layer is located on the outermost surface of the film. This water repellent layer is a layer having high water repellency. On the other hand, this hard layer is a layer having high hard performance.
[0040]
  Therefore, the hard water-repellent silicon oxide film has a structure in which the water-repellent layer is lined with the hard layer, and high water repellency and high hardness can be obtained. Furthermore, since both layers have a silicon oxide compound as a main component, they have high matching with each other, and the adhesion between these layers is high. This water repellent layer also,Like the water repellent silicon oxide film, it is desirable that fluorine and carbon bonded to each other are uniformly dispersed in the film.
[0041]
In addition, any layer can have high visible light transmittance. Therefore, high transparency of visible light can be obtained with the present hard water-repellent silicon oxide film.
The thickness of each layer is not particularly limited, but the thickness of each layer is appropriately selected so that the hard layer is not too thin or the water repellent layer is not too thick. It is preferable to do. If the hard layer is too thin, sufficient hard performance cannot be obtained. On the other hand, if the water repellent layer is too thick, this prevents the hard layer from exhibiting the hard performance.
[0042]
  HardA quality water-repellent silicon oxide film can be produced by first forming a hard layer on a substrate and forming a water-repellent layer on the hard layer. At this time, the hard layerofA known forming means can be used for the formation. Moreover, the formation means by the manufacturing method of the water repellent silicon oxide film of this invention can be used for formation of a water repellent layer.
[0043]
At this time, the hard water-repellent silicon oxide film may be formed by combining the water-repellent layer uniformly containing the fluorine and the carbon and the hard layer, but high consistency is obtained. That's not perfect integrity.
Therefore, in the present hard water-repellent silicon oxide film, the water-repellent layer is inclined at the boundary surface between the hard layer and the content concentration of the carbon and the fluorine gradually decreases in the boundary direction. It is desirable to have a graded layer that is nearly zero. This graded layer provides almost perfect consistency at the interface with the hard layer. Therefore, the adhesion of these layers becomes extremely high.
[0044]
[Action]
  the aboveSince the water-repellent silicon oxide film contains silicon oxide, it has excellent wear resistance and scratch resistance. In addition, since it contains a bond of fluorine and carbon, it is excellent in water repellency. In addition, it is formed without preparation of coating solution, etc., and consists of molecular level decomposition reaction products generated from the minimum necessary raw materials, so there are few impurities contained in the film, there is no uneven composition, etc. For the reason, it is superior in water repellency than the conventional water-repellent silicon oxide film.
[0045]
This water-repellent silicon oxide film in which fluorine and carbon bonded to each other are uniformly dispersed in the film is excellent in water repellency durability and weather resistance. Moreover, what contains 10-50 at% of fluorine is excellent in water repellency. Furthermore, what has the transmittance | permeability of visible light 90-95% is excellent in translucency.
According to the method for producing a water-repellent silicon oxide film of the present invention, a water-repellent silicon oxide film excellent in water repellency and wear resistance can be easily formed at a low temperature and with good adhesion to a base material. In the film formation step, the silicon-containing decomposition product and the fluorine-containing decomposition product can be simultaneously deposited on the base material at an arbitrary deposition rate, and a water-repellent silicon oxide film having an arbitrary film thickness can be formed. Therefore, it is possible to form a film in which fluorine is uniformly dispersed in the film, a film having an arbitrary fluorine content, a film having an arbitrary transmittance, and the like. Specifically, one containing 10 to 50 at% fluorine or one having a visible light transmittance of 90 to 95% can be produced.
[0046]
  the aboveIn the hard water-repellent silicon oxide film, the water-repellent layer exhibits high water-repellent performance, and the hard layer exhibits high hard performance, so that high water-repellency and high hardness can be obtained. Further, since these layers are bonded with high adhesion and are difficult to peel off from each other, high mechanical strength can be obtained. Furthermore, by using a layer having a high visible light transmittance for any of the layers, a high visible light transmittance can be obtained.
[0047]
【Example】
  Hereinafter, the present invention will be described specifically by way of examples.Examples 1 to 7 and Examples 9 and 10 are reference examples.
Example 1
  For the formation of the water-repellent silicon oxide film of this example, tetramethylsilane (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) is used as the silicon compound, and fluoroalkylsilane having an n value of 8 as the fluorine compound (hereinafter referred to as FAS-17) ( CF3(CF2)7CH2CH2Si (OCH3)3) (Manufactured by Shin-Etsu Chemical; KBM7803) was used, and a Si substrate (size: 30 × 30 × 0.5 mm) was used as a base material.
[0048]
Further, as the film forming apparatus, a microwave plasma CVD apparatus capable of generating a low temperature plasma by causing vacuum discharge by microwaves was used. In this apparatus, the raw material gas is caused to undergo a chemical reaction by microwave plasma, and a reaction product generated by this chemical reaction is deposited on the surface of the substrate or the like placed below to deposit it. It is the film formation apparatus which employ | adopted the downstream system which forms. FIG. 1 shows a schematic diagram of the film forming apparatus 1.
[0049]
  This film forming apparatus 1 is composed of a silicon compound.ContainsGases and fluorine compoundsContainsA reaction vessel 2 in which a gas is decomposed, a deposition vessel 6 in which a substrate 4 is installed and a decomposition reaction product generated in the reaction vessel 2 is deposited on the substrate 4, and a microwave power source 8 capable of generating microwaves The vacuum pumping rotary pump 10, the silicon compound supply source 12 that can supply the silicon compound, and the fluorine compound supply source 14 that can supply the fluorine compound are the main components.
[0050]
The reaction vessel 2 is formed of a cylindrical quartz tube (size; length: 270 mm, inner diameter: 51 mm, outer diameter: 57 mm) with one end closed and the other end opened, and the open end portion 16 covers the ceiling portion 18 of the deposition vessel 6. It is connected through. The inside of the reaction vessel 2 communicates with the inside of the deposition vessel 6 through this open end portion 16.
In the deposition container 6, a substrate holder 20 is provided in the container, and the substrate 4 can be placed on the substrate holder 20. In the substrate holder 20, the substrate 4 can be installed at a position of 100 to 450 mm from the central portion of the reaction vessel 2.
[0051]
The microwave power source 8 is connected to the reaction vessel 2 through the waveguide 22, and a microwave having a predetermined output generated by the microwave power source 8 can be sent into the reaction vessel 2 through the waveguide 22. At this time, the reaction vessel 2 is fixed to the cavity 24 of the waveguide 22 in the vicinity of the center thereof, and the incident wave and the reflected wave of the microwave are adjusted by the slice tab tuner 26 and the plunger 27 attached to the waveguide 22. Thus, a microwave having a certain strength can be sent into the reaction vessel 2. Note that the cavity 24 not only connects and fixes the microwave power source 8 and the sli tab tuner 26 but also plays a role of efficiently transmitting the microwave passing through the waveguide 22 to the reaction vessel. A vacuum discharge is generated in the reaction vessel 2 by this microwave, and a stable low-temperature plasma 28 can be generated in the reaction vessel 2.
[0052]
  The rotary pump 10, the silicon compound supply source 12, and the fluorine compound supply source 14 are connected to the deposition container 6, and the reaction container 2 directly connected to the deposition container 6 is brought to a maximum vacuum of 1 Pa by the rotary pump 10. The silicon compound in the deposition vessel 6 by the silicon compound source 12 and the fluorine compound source 14.ContainsGases and fluorine compoundsContainsGas can be supplied.
[0053]
  In the silicon compound supply source 12, a silicon compound in a liquid state is placed in a container, and the silicon compound is evaporated and vaporized to thereby generate a silicon compound.ContainsGas can be supplied. Moreover, in the fluorine compound supply source 14, a fluorine compound in a liquid state is placed in a container, and the fluorine compound is evaporated and vaporized to thereby generate a fluorine compound.ContainsGas can be supplied. When the boiling point of the fluorine compound is high, the fluorine compound in a liquid state in the container can be heated and evaporated and vaporized at a predetermined heating temperature using a ribbon heater wound around and attached to the outside of the container. Further, the fluorine compound supply source 14 is provided with a pipe so that the carrier gas can be introduced from the carrier gas supply source 29. The fluorine compound supply source 14 is introduced into the container through the fluorine compound in a liquid state, and is introduced into the deposition container 6 from the introduction pipe. Can be moved to. This carrier gas acts as a gas that stabilizes the vacuum discharge and is a fluorine compound.ContainsBy promoting the transport of the gas, the fluorine compound in a gaseous state can be stably supplied. In this example, argon gas was used as the carrier gas.
[0054]
  These silicon compoundsContainsGases and fluorine compoundsContainsThe gases are respectively introduced into the deposition containers 6 through the introduction pipes, and are filled in the reaction container 2 through the deposition containers 6 in a mixed gas state. At this time, silicon compoundContainsGases and fluorine compoundsContainsThe amount of gas introduced can be adjusted by needle valves 30 and 30 attached to the respective introduction pipes. And by adjusting each introduction amount, silicon compoundContainsGases and fluorine compoundsContainsThe gas can be adjusted to a desired partial pressure, and the pressure in the reaction vessel 2 can be set to a predetermined pressure.
[0055]
  Silicon compound in reaction vessel 2ContainsGases and fluorine compoundsContainsIn the gas, the silicon compound and the fluorine compound are decomposed by low-temperature plasma, and a silicon-containing decomposition reaction product and a fluorine-containing decomposition reaction product are generated. The generated silicon-containing decomposition reaction product and fluorine-containing decomposition reaction product can be moved and deposited on the substrate 4 in the deposition container 6.
[0056]
Further, the substrate temperature is about 80 ° C. at the maximum due to the radiant heat of the low-temperature plasma 28 or the like when no external heating is performed. Therefore, a resistance heating device (not shown) capable of heating the substrate temperature in a temperature range of 100 to 400 ° C. is attached to the substrate holder 20, and the substrate temperature can be arbitrarily controlled within this temperature range.
In this embodiment, the substrate 4 is set at a position 100 mm from the vicinity of the center of the low temperature plasma 28, and the reaction vessel 2 and the deposition vessel 6 are evacuated to 1 Pa by the rotary pump 10, and then the evacuation speed by the rotary pump 10 is increased. Tetramethylsilane gas was introduced into the reaction vessel 2 from the silicon compound supply source 12 while adjusting, and the pressure in the reaction vessel 2 was maintained almost constant at a predetermined pressure. Subsequently, the fluorine compound supply source 14 is heated by a ribbon heater at about 70 to 80 ° C. to evaporate and vaporize the FAS-17 in a liquid state in the container, and this FAS-17 gas is put into the reaction container 2. Introduced and mixed with the previously introduced tetramethylsilane gas, the total pressure of the mixed gas was set to a predetermined pressure. At this time, 20 to 50 sccm of argon gas was used as the carrier gas.
[0057]
The microwave power source 8 is set to 300 W to cause a vacuum discharge, and the vacuum discharge is maintained at this output to generate a low temperature plasma 28, thereby forming a water-repellent silicon oxide film while maintaining the substrate temperature substantially constant at 50 ° C. For 15 minutes.
At this time, the predetermined pressure of the tetramethylsilane gas is selected from 12.5 Pa, 15.0 Pa, 20.0 Pa, 25.0 Pa, and the partial pressure of the FAS-17 gas is set in accordance with the predetermined pressure of the tetramethylsilane gas. Are selected from 12.5 Pa, 15.0 Pa, 20.0 Pa, 25.0 Pa, and the total pressure of the mixed gas is 25.0 Pa, 30.0 Pa, 40.0 Pa, 50.0 Pa, and four types of water-repellent silicon oxide films Was made.
[0058]
These water-repellent silicon oxide films were evaluated for film thickness, contact angle and visible light transmittance. In addition, each measurement was performed using the following means. In addition, evaluation was performed in the same manner for other examples described later.
The film thickness was measured using a surface roughness meter (manufactured by Mitsutoyo, Surftest SV-600). Water repellency was measured with a contact angle meter (Kyowa Interface Science, CA-X150 type) in an atmosphere at 25 ° C. by a droplet method using a static contact angle of distilled water (droplet diameter of about 2 mmφ). Visible light transmittance was measured using a double beam spectrophotometer (manufactured by Shimadzu Corporation, UV-3101PC).
[0059]
FIG. 2 shows static contact angles with water droplets of the four types of water-repellent silicon oxide films obtained. FIG. 2 shows that the static contact angle of these water-repellent silicon oxide films with water droplets is 115 to 160 °. The static contact angle with the water droplets exceeds 108 ° of the static contact angle with the Teflon water droplets, and it can be seen that the obtained four types of water-repellent silicon oxide films are very excellent in water repellency. In particular, a water-repellent silicon oxide film produced with a total mixed gas pressure of 50.0 Pa has a static contact angle with a water droplet of 160 ° and has a very high water repellency (super water repellency) exceeding 150 °. I understood.
[0060]
Further, FIG. 2 shows that the film formation rate of these water-repellent silicon oxide films is 25 to 120 nm / min, and the film formation rate increases as the total pressure of the mixed gas increases.
Further, it was found that the water-repellent silicon oxide film produced with the total pressure of the mixed gas being 25.0 Pa and 30.0 Pa has a visible light transmittance of 93% and is excellent in light-transmitting property.
(Example 2)
Trimethylmethoxysilane (manufactured by Kanto Chemical) is used as the silicon compound, the predetermined pressure of trimethylmethoxysilane is 25.0 Pa, the partial pressure of fluoroalkylsilane is 25.0 Pa, and the total pressure of the mixed gas is 50.0 Pa. In the same manner as in Example 1, except that the substrate temperature was selected from 50 ° C., 100 ° C., 200 ° C., and 300 ° C., four types of water-repellent silicon oxide films having different substrate temperatures were produced. These substrate temperatures were measured with an alumel-chromel thermocouple. Unless otherwise noted, the following substrate temperatures were all measured by this measuring means.
[0061]
At this time, with respect to the water-repellent silicon oxide film produced at a substrate temperature of 50 ° C., the infrared transmittance was measured by infrared absorption analysis (IR), the infrared absorption spectrum was obtained from the transmittance, and the bonding form in the film was examined. . The measurement results are shown in FIG. In FIG. 3, the horizontal axis represents the wave number of infrared rays, and the vertical axis represents the transmittance.
According to FIG. 3, infrared absorption peaks due to stretching vibration between Si—O—Si bonds are confirmed in the vicinity of wave numbers of 1070 / cm, 800 / cm, and 460 to 410 / cm. From the fact that the infrared absorption peak due to the stretching vibration between the bonds was confirmed near the wave number of 850 / cm, it was found that silicon oxide was contained in the film. CFThree-, -CF2-Infrared absorption peaks due to stretching vibrations between C-F bonds were confirmed near the wave numbers of 1260-1200 / cm and 1120 / cm, indicating that fluorine and carbon were bonded to each other and C- It was found that it was contained in the film in the form of F bonds.
[0062]
The static contact angle is shown in FIG. From FIG. 4, it can be seen that the static contact angle of these water-repellent silicon oxide films with water droplets is 102 to 110 °, and any water-repellent silicon oxide film has excellent water repellency.
(Example 3)
Four types of water-repellent silicon oxide films were prepared in the same manner as in Example 2 except that dimethyldimethoxysilane (manufactured by Kanto Chemical) was used as the silicon compound.
[0063]
FIG. 5 shows static contact angles with water droplets of the four types of water-repellent silicon oxide films obtained at this time. From FIG. 5, it can be seen that the static contact angle of these water-repellent silicon oxide films with water droplets is 95 to 100 °, and that any water-repellent silicon oxide film has excellent water repellency.
(Example 4)
Four types of water-repellent silicon oxide films were prepared in the same manner as in Example 2 except that methyltrimethoxysilane (manufactured by Kanto Chemical) was used as the silicon compound.
[0064]
FIG. 6 shows static contact angles with water droplets of the four types of water-repellent silicon oxide films obtained at this time. FIG. 6 shows that the static contact angle of these water-repellent silicon oxide films with water droplets is 90 to 94 °, and that any water-repellent silicon oxide film has excellent water repellency.
Further, as a result of a scratch test using a stainless steel chip, it was found that the chip was excellent in scratch resistance.
(Example 5)
Four types of water-repellent silicon oxide films were prepared in the same manner as in Example 2 except that tetramethoxysilane (hereinafter referred to as TMS) (manufactured by Kanto Chemical) was used as the silicon compound.
[0065]
FIG. 7 shows static contact angles with water droplets of the four types of water-repellent silicon oxide films obtained at this time. From FIG. 7, it can be seen that the static contact angle of these water-repellent silicon oxide films with water droplets is 80 to 93 °, and that any water-repellent silicon oxide film has excellent water repellency.
Further, as a result of a scratch test using a stainless steel chip, it was found that the chip was excellent in scratch resistance.
(Example 6)
Four types of water-repellent silicon oxide films were prepared in the same manner as in Example 2 except that tetraethoxysilane (manufactured by Kanto Chemical) was used as the silicon compound.
[0066]
  Although the static contact angles with water droplets of the four types of water-repellent silicon oxide films obtained at this time are not shown, they may have static contact angles with water droplets substantially the same as the water-repellent silicon oxide film of Example 5. As can be seen, all the water-repellent silicon oxide films have excellent water repellency.
  Further, as a result of a scratch test using a stainless steel chip, it was found that the chip was excellent in scratch resistance.
(Example 7)
  As a silicon compound,Except for using hexamethyldisilane (hereinafter referred to as HMDS),2In the same manner, a water-repellent silicon oxide film was produced.
[0067]
  This water repellent silicon oxide filmEach contact angle was measured. The measurement results are shown in FIG.
(Example 8)
  H instead of Ar gas as carrier gas for FAS-17 gas2Example 1 except that hydrogen is included in the FAS-17 gas using a gas.2In the same manner, a water-repellent silicon oxide film was produced.
[0068]
These water-repellent silicon oxide films were all found to have higher water repellency than films using argon. In particular, a contact angle similar to that of a single water-repellent film was obtained at a substrate temperature of 200 ° C. or higher. Moreover, as a result of XPS measurement, it was confirmed that the oxygen content in the upper layer was significantly reduced as compared with the case where argon was used.
Example 9
In this example, a hard water-repellent silicon oxide film composed of a water-repellent layer and a hard layer and arranged on the substrate so that the surface of the water-repellent layer is the outermost surface was produced.
In this film, the water-repellent layer has an inclined layer at the boundary portion with the hard layer, in which the concentration of carbon and fluorine gradually decreases toward the boundary direction and becomes almost zero at the boundary surface.
[0069]
  In this embodiment, a hard layer is first formed on a substrate and then this is done.HardA gradient layer was formed on the layer, and then a water-repellent layer was formed on the gradient layer to produce a hard water-repellent silicon oxide film. The hard layer was formed by using TMS gas and oxygen gas as source gases and subjecting these source gases to gas phase reaction. In addition, the water repellent layer was formed by using FAS-17 gas and TMS gas as source gases and subjecting these source gases to gas phase reaction. FIG. 8 schematically shows a series of these layer formation processes.
[0070]
The procedure for producing the hard water-repellent silicon oxide film of this example will be described below with reference to FIGS. Note that the microwave plasma CVD apparatus shown in FIG. 1 was used for forming these layers. Prior to the production of the hard water-repellent silicon oxide film, a silicon wafer (10 mm × 10 mm × 0.5 mm) was prepared as a substrate, and this substrate was placed at a position about 100 mm away from the plasma center. Further, the substrate was exposed to oxygen plasma (20 Pa) for about 5 minutes to remove impurities on the substrate surface in advance.
[0071]
First, after the reaction vessel 6 was evacuated to 1 Pa by the rotary pump 10, the silicon compound supply source 12 for TMS gas was kept at room temperature, and the vapor was introduced into the reaction vessel 6. At this time, TMS gas was introduced from about 10 mm above the substrate 4 and oxygen gas was introduced from above the quartz tube 2. After introducing these source gases, film formation was carried out with the film formation conditions set as follows.
[0072]
Total pressure and microwave output were kept constant at 50 Pa and 300 W, respectively. Oxygen partial pressure ratio (O2As (Pa) / total pressure (Pa)), 80%, which is known to obtain the optimum hardness by the inventors' research, was adopted. The substrate temperature was kept constant at the temperature described later. The film formation time was selected so that the film thickness was 1.0 μm or more.
Thus, the hard layer 100 was formed on the substrate as shown in FIG. This hard layer 100 is the same as the film obtained in Comparative Example 1 described later.
[0073]
Next, while maintaining the previously held substrate temperature, the supply of oxygen gas was gradually reduced by the needle valve 30, and instead, FAS-17 was introduced into the reaction vessel 6 using Ar as the carrier gas. Here, the fluorine compound supply source 14 for FAS-17 was kept at about 70 ° C., and the vapor was introduced into the reaction vessel 6. In order to avoid condensation of the FAS-17 vapor, the gas introduction pipe was also maintained at about 70 ° C. On the other hand, the Ar flow rate was controlled to 20 sccm by a mass flow controller. Thus, as shown in FIG. 8B, the inclined layer 200 was formed on the hard layer 100.
[0074]
Subsequently, the needle valve 30 was adjusted so that the total pressure was 50 Pa and the partial pressure ratio of TMS and FAS-17 / Ar was 25 Pa: 25 Pa, and film formation was performed for 1 to 5 minutes. Thus, as shown in FIG. 8C, the water repellent layer 300 was formed on the inclined layer 200.
In this embodiment, the condition in which the substrate temperature is not controlled (about 70 ° C.) and the condition in which the substrate temperature is controlled almost constant in the temperature range up to 350 ° C. such as 100 ° C., 200 ° C., and 300 ° C. by external resistance heating 4 types of hard water-repellent silicon oxide films were prepared. Hereinafter, unless otherwise specified, the four types refer to these types of substrate temperatures.
[0075]
All of these hard water-repellent silicon oxide films had a film thickness of about 1.0 μm or more. It was also found that these films had good adhesion to both the substrate / film and the hard layer / gradient layer. This was confirmed by the fact that peeling at the boundary (interface) between the substrate / film and the hard layer / gradient layer was not observed in the cross-cut peel test. Next, the contact angle and hardness were evaluated as follows.
[0076]
First, the contact angle measurement results are shown in FIG. For comparison, the contact angle of the water-repellent silicon oxide film of Example 5 is also shown in FIG.
From FIG. 9, it can be seen that all have a high contact angle of 100 ° or more. However, it is slightly inferior to that of Example 5. It can also be seen that the lower the substrate temperature, the higher the contact angle.
[0077]
Next, the measurement result of hardness is shown in FIG. Here, the ultra micro hardness was measured using a dynamic ultra micro hardness meter (manufactured by Shimadzu Corporation, DUH-200). A Knoop indenter was used as the indenter, and the maximum load was set to 0.50 gf.
FIG. 10 shows that all the films have high hardness. In particular, it can be seen that those obtained at a substrate temperature of 200 ° C. or higher have the same hardness as the film of Comparative Example 1, and the hardness is extremely high.
[0078]
  On the other hand, it was confirmed that those obtained at a substrate temperature of 100 ° C. or lower had a lower hardness than those obtained at a substrate temperature of 200 ° C. or higher. This is considered to be due to the difference in the thickness of the water repellent layer. It is known that the former formation rate is very fast, about 60 to 100 nm / min, compared to the latter. Here, since each film-forming time is the same, a thick water-repellent layer is formed in the former compared with the latter. Therefore, what was obtained at a substrate temperature of 100 ° C. or lower isHardIt is thought that the hardness was reduced because the hardness of the layer was not reflected.
[0079]
Therefore, when the film was formed at a substrate temperature of 100 ° C. or lower and the water-repellent layer was formed for 1 minute, and the film formation time was shorter than the previous one, the substrate having a hardness of 200 ° C. or higher was obtained. The value was almost the same as that obtained at temperature. The hardness of these films was also shown in FIG. 10 (Δ mark in the figure). Although the contact angle at this time slightly decreased as the film-forming time of the water-repellent layer was shortened, it exhibited 105-112 ° and water repellency as high as PTFE (108 °).
[0080]
As described above, the hard water-repellent oxide film of this example is slightly inferior in contact angle to the water-repellent oxide silicon film of Example 5, but has excellent water repellency and extremely high hardness. all right. It was also found that the contact angle and hardness differ depending on the substrate temperature during film formation. Therefore, in order to find out the reason why the film of this example is slightly inferior in contact angle as compared with that of Example 5 and the reason why the contact angle and hardness differ depending on the substrate temperature, the chemical bonding state and the chemistry in these films The composition was evaluated as follows.
[0081]
First, about the film | membrane of a present Example and the film | membrane of Example 5, the chemical bonding state of those surface parts was measured. The analysis results are shown in Table 1. Note that XPS (manufactured by Shimadzu Corporation, ESCA1000) and FTIR (manufactured by JASCO, FT / TR5300) were used for analysis of the chemical bonding state.
[0082]
[Table 1]
Figure 0003945664
From Table 1, in any film of this Example, the F / Si and F / C values that contribute to water repellency are decreased on the surface, and the O / F value that contributes to an increase in hydrophilicity. It was confirmed that the increase and the C / Si value indicating the mineralization of the film decreased. As is apparent from the measurement results, it can be seen that the surface of the film obtained in this example is more hydrophilic than the surface of the film of Example 5. This is because, when the gas introduced into the reaction vessel is switched from oxygen to FAS-17 / Ar during film formation, oxygen remaining in the plasma atmosphere decomposes FAS-17 and polar groups (hydrogen groups, etc.) into the film. ). Therefore, it is considered that the contact angle of the film of this example was lowered.
[0083]
  Next, the chemical composition in the depth direction of the film was analyzed for each of the film obtained at the substrate temperature of 70 ° C. and the film obtained at the substrate temperature of 300 ° C. The analysis results are shown in FIGS. 11 and 12, respectively.11 and 12, symbols Δ in the drawings indicate carbon, ◯ indicates silicon, ● indicates oxygen, and □ indicates fluorine.The chemical composition change in the depth direction of the film was measured by XPS Ar ion etching (2.0 kV, 30 mA). In this measurement, the etching depth increases in proportion to the etching time.
[0084]
As is clear from FIG. 11, in the film obtained at the substrate temperature of 70 ° C., a significant decrease in the fluorine and carbon concentrations was observed after the etching time exceeded about 120 minutes, and conversely, the silicon and oxygen concentrations Increase was confirmed. On the other hand, as apparent from FIG. 12, in the film obtained at the substrate temperature of 300 ° C., the same tendency was observed after the etching time exceeded about 30 minutes.
[0085]
From the analysis results of the above chemical composition, it can be seen that the film obtained at the substrate temperature of 70 ° C. has a larger thickness of the water repellent layer than that obtained at the substrate temperature of 300 ° C. That is, the film obtained at a substrate temperature of 100 ° C. or lower has a greater thickness of the water-repellent layer than that obtained at a substrate temperature of 200 ° C. or higher. The quality and thickness of the water-repellent layer differ depending on the substrate temperature selected in this way, and the water repellency and hardness of the film differ accordingly.
[0086]
Finally, the visible light transmittance of the film obtained in this example was measured. As a result of the measurement, it was found that in any film, the transmittance in the visible light region was 90% or more, which was not different from an untreated glass substrate. In FIG. 13, the measurement result of the visible light transmittance of the film obtained at the substrate temperature of 200 ° C. is shown as an example. In the measurement, air was used as a reference.
[0087]
From the above evaluation, it has been clarified that the hard water-repellent silicon oxide film of this example is excellent in water repellency, has high hardness, and has high visible light transmittance.
(Comparative Example 1)
Four types of films were formed in the same manner as in Example 9 except that the inclined layer 300 and the water repellent layer were not formed.
[0088]
Each of these films has Si—O—Si bonds in the film, and the silicon and oxygen concentrations thereof are 30 at. % And 60 at. %. Furthermore, it has been found that these hard silicon oxide films all have a hardness comparable to that of borosilicate glass. It was also confirmed that the film was dense.
(Example 10)
Four types of hard water-repellent silicon oxide films were prepared in the same manner as in Example 9 except that hexamethyldisilane (hereinafter referred to as HMDS) was used instead of TMS.
[0089]
Further, it was found that these hard water-repellent silicon oxide films each have substantially the same contact angle and hardness as those obtained in Example 9 under the same substrate temperature conditions. However, the film forming rate of the water repellent layer in Example 9 was about 10 to 25 nm / min, whereas in the present example, it was very high at about 70 to 100 nm / min.
(Example 11)
H instead of Ar gas as carrier gas for FAS-17 gas2Four types of hard water-repellent silicon oxide films were prepared in the same manner as in Example 9 except that hydrogen was included in the FAS-17 gas using a gas.
[0090]
It was found that each of these water-repellent silicon oxide films had higher water repellency than that obtained in Example 9 under the same substrate temperature conditions. In particular, a contact angle similar to that of a single water-repellent film was obtained at a substrate temperature of 200 ° C. or higher. Moreover, as a result of XPS measurement, it was confirmed that the oxygen content of any water-repellent layer was significantly reduced as compared with those obtained in Example 9.
(Example 12)
Four types of hard water-repellent silicon oxide films were prepared in the same manner as in Example 11 except that HMDS was used instead of TMS.
[0091]
The contact angle of each of these hard water-repellent silicon oxide films was measured. The measurement results are shown in FIG. For comparison, the measurement results obtained in Example 7 and Example 10 are also shown in FIG.
From FIG. 14, it was found that any of the films of this example had excellent water repellency, and in particular, had higher water repellency than the film obtained in Example 10 under the same substrate temperature conditions. From this result, the carrier gas is H2It can be seen that higher water repellency can be obtained by using gas than by using argon gas.
[0092]
However, the film obtained at a substrate temperature of 200 ° C. or lower was found to be slightly inferior in water repellency and slightly inferior to the film obtained under the same substrate temperature conditions as in Example 7. However, although not shown here, the hardness was found to be higher than the film obtained in Example 7 under the same substrate temperature conditions.
[0093]
【The invention's effect】
  the aboveSince the water-repellent silicon oxide film is excellent in water repellency, abrasion resistance and scratch resistance, the water repellency, abrasion resistance and scratch resistance of these products can be improved by using them in products with poor performance. Can be improved.
  Also,the aboveSince the water-repellent silicon oxide film has excellent water repellency and weather resistance, these products can be used in products that are used in environments with high wear frequency or in environments where snow or ice adheres significantly. The durability and weather resistance of water repellency can be improved.
[0094]
By the method for producing a water-repellent silicon oxide film of the present invention, a water-repellent silicon oxide film excellent in water repellency and wear resistance can be easily formed at low temperature and with good adhesion to a base material, so that production costs, etc. In addition, even in a product having a low heat-resistant temperature, a water-repellent silicon oxide film excellent in water repellency, abrasion resistance and scratch resistance can be produced even in a product having a low heat-resistant temperature.
[0095]
  Specifically, 300Since a hard water-repellent silicon oxide film can be produced at the following low temperatures, it is an effective method for increasing the surface hardness and functionality of materials with low heat resistance and wear resistance. In particular, since such a film can be produced at a low temperature of 100 ° C. or lower, it can be applied to materials such as plastics.
  In addition, a water-repellent silicon oxide film in which fluorine is uniformly dispersed in the film can be easily formed at a low temperature and with good adhesion, so that the water-repellent oxidation has excellent water repellency and weather resistance. The silicon film can be manufactured without reducing the quality even in a low-cost product with a low heat-resistant temperature.
[0096]
In addition, a water-repellent silicon oxide film having an arbitrary fluorine content can be easily formed at a low temperature and with good adhesion. Even a low product can be manufactured without degrading the quality.
In addition, a water-repellent silicon oxide film with excellent translucency can be formed at low temperature on letters and pictures drawn using organic paints on the base material. A water-repellent silicon oxide film can be formed without causing it.
[0097]
  the aboveSince the hard water-repellent silicon oxide film is extremely excellent in water repellency and wear resistance, and is excellent in mechanical strength, its performance can be improved by using it for a material having low water repellency and wear resistance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a film forming apparatus used in this example.
FIG. 2 is a graph showing a static contact angle with a water droplet of the water repellent silicon oxide film obtained in Example 1.
FIG. 3 is a graph showing the results of measuring the infrared transmittance of the water-repellent silicon oxide film obtained in Example 2 by infrared absorption analysis (IR).
4 is a graph showing static contact angles with water droplets of four types of water-repellent silicon oxide films obtained in Example 2. FIG.
5 is a graph showing static contact angles with water droplets of four types of water-repellent silicon oxide films obtained in Example 3. FIG.
6 is a graph showing static contact angles with water droplets of four types of water-repellent silicon oxide films obtained in Example 4. FIG.
7 is a graph showing static contact angles with water droplets of the four types of water-repellent silicon oxide films obtained in Example 5. FIG.
FIG. 8 is a view schematically showing a process for producing a water-repellent silicon oxide film of Example 9.
FIG. 9 is a graph showing static contact angles with water droplets of the water-repellent silicon oxide film obtained in Example 5 and Example 9, respectively.
FIG. 10 is a graph showing the hardness of the water-repellent silicon oxide film obtained in Example 9 and Comparative Example 1, respectively.
FIG. 11 is a view showing a composition change in one depth direction of the water repellent silicon oxide film obtained in Example 9. FIG.
12 is a view showing a composition change in one depth direction of the water repellent silicon oxide film obtained in Example 9. FIG.
13 is a graph showing an example of the visible light transmittance of the water repellent silicon oxide film obtained in Example 9. FIG.
FIG. 14 is a graph showing static contact angles with water droplets of the water-repellent silicon oxide films or hard water-repellent silicon oxide films obtained in Example 7, Example 10, and Example 12, respectively. .
[Explanation of symbols]
1: Film formation device 2: Reaction vessel 4: Substrate 6: Deposition vessel 8: Microwave power supply 10: Rotary pump 12: Silicon compound supply source 14: Fluorine compound supply source 16: Open end portion 18: Ceiling portion 20: Substrate holder 22: Waveguide 24: Cavity 26: Stub tuner 27: Plunger 28: Low temperature plasma 29: Argon gas supply source 30: Needle valve

Claims (7)

シリコン化合物およびフッ素化合物の少なくとも一方は酸素を含み、かつ該シリコン化合物および該フッ素化合物の少なくとも一方は炭素を含む化合物をそれぞれ用い、該シリコン化合物を含むシリコン化合物含有ガスと、水素ガスを含むキャリアガスとともに該フッ素化合物を含むフッ素化合物含有ガスと、を調製し、それぞれを原料ガスとする原料ガス調製工程と、
該原料ガスに含まれる該シリコン化合物と該フッ素化合物とを気相中で分解反応させることにより、シリコン含有分解反応物とフッ素含有分解反応物の少なくとも一方が酸素を含有し、かつ該シリコン含有分解反応物と該フッ素含有分解反応物の少なくとも一方が炭素を含有する形態で該シリコン含有分解反応物と該フッ素含有分解反応物を生成する分解反応物生成工程と、
前記分解反応物生成工程で生成した該シリコン含有分解反応物と該フッ素含有分解反応物とを母材上に堆積させることにより、該シリコンが該シリコン含有分解反応物および該フッ素含有分解反応物の少なくとも一方に含まれる該酸素と結合した酸化シリコンと、該フッ素が該シリコン含有分解反応物および該フッ素含有分解反応物の少なくとも一方に含まれる該炭素と結合した該フッ素および該炭素と、を含む皮膜を形成する皮膜形成工程と、
からなることを特徴とする撥水性酸化シリコン皮膜の製造方法。
At least one of the silicon compound and the fluorine compound contains oxygen, and at least one of the silicon compound and the fluorine compound uses a compound containing carbon, respectively, a silicon compound-containing gas containing the silicon compound, and a carrier gas containing hydrogen gas And a fluorine compound-containing gas containing the fluorine compound, and a raw material gas preparation step using each as a raw material gas,
By decomposing the silicon compound and the fluorine compound contained in the source gas in the gas phase, at least one of the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product contains oxygen, and the silicon-containing decomposition reaction A decomposition reaction product generating step of generating the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product in a form in which at least one of the reactant and the fluorine-containing decomposition reaction product contains carbon;
The silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product are deposited on the base material by depositing the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product generated in the decomposition reaction product generation step. Silicon oxide bonded to the oxygen contained in at least one, and the fluorine and carbon bonded to the carbon contained in at least one of the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product. A film forming process for forming a film;
A method for producing a water-repellent silicon oxide film, comprising:
前記分解反応物生成工程において、該シリコン化合物および該フッ素化合物の少なくとも一方は、低温プラズマを用いて気相中で分解反応させる請求項1に記載の撥水性酸化シリコン皮膜の製造方法。The method for producing a water-repellent silicon oxide film according to claim 1, wherein in the decomposition reaction product generation step, at least one of the silicon compound and the fluorine compound is decomposed in a gas phase using low-temperature plasma. 該低温プラズマは、マイクロ波、高周波、低周波、直流、交流の少なくとも一種を用いた真空放電により発生させる請求項に記載の撥水性酸化シリコン皮膜の製造方法。The method for producing a water-repellent silicon oxide film according to claim 2 , wherein the low-temperature plasma is generated by vacuum discharge using at least one of microwave, high frequency, low frequency, direct current, and alternating current. 前記分解反応物生成工程において、該シリコン化合物含有ガスと該フッ素化合物含有ガスとを混合して該シリコン含有分解反応物と該フッ素含有分解反応物とを生成する請求項1に記載の撥水性酸化シリコン皮膜の製造方法。The water-repellent oxidation according to claim 1, wherein in the decomposition reaction product generation step, the silicon compound-containing gas and the fluorine compound-containing gas are mixed to generate the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product. Silicon film manufacturing method. 前記分解反応物生成工程において、該シリコン含有分解反応物と該フッ素含有分解反応物との生成は、該シリコン化合物含有ガスと該フッ素化合物含有ガスとの全圧が10Pa以上の圧力下でおこなう請求項4に記載の撥水性酸化シリコン皮膜の製造方法。In the decomposition reaction product generation step, the generation of the silicon-containing decomposition reaction product and the fluorine-containing decomposition reaction product is performed under a total pressure of 10 Pa or more of the silicon compound-containing gas and the fluorine compound-containing gas. Item 5. A method for producing a water-repellent silicon oxide film according to Item 4. 前記皮膜形成工程において、該母材の少なくとも皮膜を形成する表面部分を50〜350℃の温度にする請求項1に記載の撥水性酸化シリコン皮膜の製造方法。The method for producing a water-repellent silicon oxide film according to claim 1, wherein in the film forming step, at least a surface portion of the base material on which the film is formed is set to a temperature of 50 to 350 ° C. 該母材は、ガラス材料、樹脂材料、金属材料、半導体材料、木材、繊維、建材の少なくとも一種からなる請求項1に記載の撥水性酸化シリコン皮膜の製造方法。The method for producing a water-repellent silicon oxide film according to claim 1, wherein the base material is made of at least one of glass material, resin material, metal material, semiconductor material, wood, fiber, and building material.
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