JP4359674B2 - 光触媒酸化チタン膜の高速成膜方法 - Google Patents
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Description
本発明はチタン膜を成膜する技術にかかり、特に、光触媒酸化チタン膜を高速に成膜する方法に関する。
光触媒酸化チタン膜をスパッタリング方法によって成膜すると、大面積に均一な膜厚の酸化チタン膜を形成することができる。また、スパッタリング方法を用いた場合には、下地に設ける活性遮断層や、酸化チタン膜の表面に設ける酸化ケイ素等の親水性薄膜を同じ真空槽内で形成することができる。また、高反射膜や低反射膜も自在に形成することができる。
とくに、特開２００３−１１１９号公報に記載されたように、スパッタリング条件をコントロールすることで基板を加熱せずにアナターゼ型光触媒酸化チタン膜が形成されている。これにより、不可能とされてきたプラスチック等の耐熱性に劣る基板上にも光触媒層の形成が可能になる。しかし、その方法では成膜速度が遅く(２ｎｍ／分程度)、高コストである。
低コストの高速成膜手法としては、例えば特開２００３−４９２６５号公報に記載された技術があり、デュアルマグネトロンスパッタリング法とプラズマエミッションモニタリング(ＰＥＭ)制御を組合わせることで高速成膜を達成している。
しかし、この方法は１２〜２８ｎｍ／分と高速ではあるものの、３００℃〜６００℃の加熱処理を行って光分解活性や超親水性等の光触媒性能を得ており、基板加熱を行わない場合には光触媒性能も示されない。このため、同方法ではプラスチックス等の耐熱性に劣る基材への成膜はできない。
特開２００３−１１１９号公報
特開２００３−４９２６５号公報
光触媒性能を有する酸化チタン膜を基板を加熱せずに高速成膜できる技術を提供する。
スパッタリング法により酸化チタン膜を形成する際、金属チタンのシングルカソードを用いた直流スパッタ、高周波スパッタがあるが、これらは成膜速度が遅くなる。これは、スパッタリングガスとして通常アルゴンを用い、それに酸素ガスを添加することで、金属チタンから酸化チタン膜を生成させているが、酸素ガスを添加することにより金属チタンターゲットの表面が酸化され、スパッタリング効率が極端に低下するためである。
この対策として２枚のチタンターゲットに１０〜１００ｋＨｚ程度の中周波電力を加え、片方のターゲットがスパッタリングされている時、反対側のカソードに逆バイアスをかけることで、ターゲット表面の帯電を除去し、リアクティブスパッタリングの安定化を実現する技術がある（デュアルマグネトロンスパッタリング法）。
このとき、導入する酸素ガスの分量を精密にコントロールすることで、高速成膜しながら、且つ異常放電を防止することができる。
また、得られる膜の組成は導入する酸素ガスの割合に敏感であり、酸素ガス導入量が少ない場合には、得られる膜は金属チタンに近づき、光触媒性能が得られなくなる。
他方、酸素ガス導入量が多い場合には、酸化チタン薄膜は得られるものの、成膜速度が遅すぎる。
他方、酸素ガス導入量が多い場合には、酸化チタン薄膜は得られるものの、成膜速度が遅すぎる。
上記課題を解決するため、本願請求項１記載の発明は、真空槽内に第１、第２のチタンターゲットを配置し、前記真空槽内にスパッタリングガスと酸素ガスを導入し、前記真空槽内を大気圧よりも低くした状態で成膜対象の基板と前記第１、第２のチタンターゲットとを相対移動させ、前記第１、第２のチタンターゲットに同じ周波数で１８０°異なる位相の交流電圧を印加してプラズマを生成し、前記第１、第２のチタンターゲットを交互にスパッタリングし、前記第１のチタンターゲットからのスパッタリング粒子と酸素の反応生成物と、前記第２のチタンターゲットからのスパッタリング粒子と酸素の反応生成物を交互に堆積させ、前記基板表面に酸化チタン膜を形成する酸化チタン膜製造方法であって、前記酸素ガスを導入しないときの前記プラズマ中の波長５００ｎｍのチタンの発光光の強度を予め測定しておき、前記第１、第２のチタンターゲットへの投入電力密度を３．２Ｗ／ｃｍ 2 以上６．４Ｗ／ｃｍ 2 以下にし、予め測定しておいた前記発光光の強度の値を１００％としたときに、スパッタリング中の前記チタンの発光光を測定し、測定した光強度が１５％以上２５％以下になるように流量制御しながら前記酸素ガスを導入し、前記第１、第２のチタンターゲットへ交流電圧を印加し、光触媒性を有する酸化チタン膜を前記基板上に加熱せずに形成する酸化チタン膜製造方法である。
請求項２記載の発明は、前記交流電圧の周波数は１０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下にされた請求項１記載の酸化チタン膜製造方法である。
請求項２記載の発明は、前記交流電圧の周波数は１０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下にされた請求項１記載の酸化チタン膜製造方法である。
加熱せずに光分解活性や親水性を有する酸化チタン膜が得られる。
図１の符号１０は、本発明方法を適用できる成膜装置を示している。
この成膜装置１０は、真空槽１１を有しており、該真空槽１１の内部には、第１、第２のチタンターゲット１２1、１２2が配置されている。第１、第２のチタンターゲット１２1、１２2はチタンを主成分としており、ここでは純度９９％以上の金属チタンターゲットである。第１、第２のチタンターゲット１２1、１２2の片面は、スパッタリングされるスパッタ面である。
この成膜装置１０は、真空槽１１を有しており、該真空槽１１の内部には、第１、第２のチタンターゲット１２1、１２2が配置されている。第１、第２のチタンターゲット１２1、１２2はチタンを主成分としており、ここでは純度９９％以上の金属チタンターゲットである。第１、第２のチタンターゲット１２1、１２2の片面は、スパッタリングされるスパッタ面である。
真空槽１１の外部には、スパッタリング電源２１が配置されており、第１、第２のチタンターゲット１２1、１２2に１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの周波数の交流電圧を印加できるように構成されている。第１、第２のチタンターゲット１２1、１２2に印加される交流電圧の位相は互いに逆相であり、１８０°ずれている。従って、一方が正のピーク電圧が印加されるとき、他方には負のピーク電圧が印加される。
真空槽１１には、真空排気系２２と、ガス導入系２３が接続されている。
ガス導入系２３は、スパッタリングガスボンベ３２ａと酸素ガスボンベ３２ｂを有しており、各ボンベ３２ａ、３２ｂは流量制御装置３３ａ、３３ｂを介して、真空槽１１に接続されており、各ボンベ３２ａ、３２ｂに充填されたスパッタリングガスと酸素ガスを流量制御しながら真空槽１１の内部に導入できるように構成されている。
ガス導入系２３は、スパッタリングガスボンベ３２ａと酸素ガスボンベ３２ｂを有しており、各ボンベ３２ａ、３２ｂは流量制御装置３３ａ、３３ｂを介して、真空槽１１に接続されており、各ボンベ３２ａ、３２ｂに充填されたスパッタリングガスと酸素ガスを流量制御しながら真空槽１１の内部に導入できるように構成されている。
第１、第２のチタンターゲット１２1、１２2はスパッタリングされるスパッタ面が同じ方向を向けられており、真空槽１１の入口３５から搬入された基板１５は、第１、第２のチタンターゲット１２1、１２2のスパッタ面と対面しながら真空槽１１内を走行し、出口３６から搬出されるように構成されている。
スパッタリングを行う場合、真空排気系２２によって真空槽１１内を予め真空排気しておき、ガス導入系２３からスパッタリングガスと酸素ガスを導入し、第１、第２のチタンターゲット１２1、１２2に交流電圧を印加すると、第１、第２のチタンターゲット１２1、１２2のスパッタ面は、負電圧が印加される間はスパッタリングされ、正電圧が印加される間はアノードとなり、ターゲット表面の帯電が除去される。
第１、第２のチタンターゲット１２1、１２2に印加される交流電圧は互いに逆相であるから、第１のチタンターゲット１２1に負電圧が印加され、スパッタリングされている間は第２のチタンターゲット１２2には正電圧が印加され、第２のチタンターゲット１２2は正電圧が印加される間はアノードとなりターゲット表面の帯電が除去される。
逆に、第１のチタンターゲット１２1がエッチングされている間は、第２のチタンターゲット１２2はスパッタリングされている。
従って、第１のチタンターゲット１２1と第２のチタンターゲット１２2は交互にスパッタリングされる。
従って、第１のチタンターゲット１２1と第２のチタンターゲット１２2は交互にスパッタリングされる。
第１、第２のチタンターゲット１２1、１２2がスパッタリングされると、チタンの原子やその集合物が真空槽１１内に放出される。
スパッタリングの際、真空槽１１内に搬入された基板１５は、第１のチタンターゲット１２1と対面する位置と、第１のチタンターゲット１２2と対面する位置とをこの順序で通過する。
スパッタリングの際、真空槽１１内に搬入された基板１５は、第１のチタンターゲット１２1と対面する位置と、第１のチタンターゲット１２2と対面する位置とをこの順序で通過する。
その移動中は、第１のチタンターゲット１２1から放出されるスパッタリング粒子と第２のチタンターゲット１２2から放出されるスパッタリング粒子の両方が基板１５に到達できるにようにされており、第１及び第２のチタンターゲット１２1、１２2から放出され、基板１５表面に到達したチタンの原子やその集合物は、基板１５表面で酸素ガスと反応し、酸化チタンが生成される。
基板１５の表面には、第１、第２のチタンターゲット１２1、１２2から交互にチタン原子やその集合物が供給されるため、第１のチタンターゲット１２1によって形成される酸化チタン薄膜と第２のチタンターゲット１２2によって形成される酸化チタン薄膜が交互に積層される。
第１、第２のターゲット１２1、１２2のスパッタリング中は、第１、第２のチタンターゲット１２1、１２2から放出されたチタンの原子にはプラズマ化されているものがあり、外殻電子の落ち込みにより特有の色に発光する。
真空槽１１の内部には、プラズマの発光光を受光する受光装置１３が配置されている。該受光装置１３は、真空槽１１の外部に配置された制御装置２０に接続されており、受光装置１３に入射した特定波長の光の強度に応じた電圧値の信号を制御装置２０に出力するように構成されている。
プラズマ中でのチタンの発光光の波長は５００ｎｍであり、受光装置１３は波長５００ｎｍの光の受光強度を示す電圧の信号を制御装置２０に出力する。
プラズマ中でのチタンの発光光の波長は５００ｎｍであり、受光装置１３は波長５００ｎｍの光の受光強度を示す電圧の信号を制御装置２０に出力する。
真空槽１１内の酸素ガスの分圧が大きくなると、チタンのスパッタ率は低下し、チタンの発光光の強度は減少し、酸素ガスの分圧が小さくなると、チタンのスパッタ率は増加し、チタンの発光光の強度は増加する。
制御装置２０には、基準電圧が予め設定されており、受光装置１３から入力される信号の電圧を予め設定された基準電圧と比較し、波長５００ｎｍの光の強度を示す信号電圧が基準電圧よりも高い場合には酸素ガスを増加させてチタンのスパッタ率を低下させる。逆に、波長５００ｎｍの光の強度を示す信号電圧が設定電圧よりも低い場合には、酸素ガスを減少させ、スパッタ率を増加させる。
その結果、プラズマ中に含まれるチタンの割合は常に一定値に保たれる。
その結果、プラズマ中に含まれるチタンの割合は常に一定値に保たれる。
酸素ガスを導入せず、スパッタリングガスだけを導入して第１、第２のチタンターゲット１２1、１２2をスパッタリングしたときの波長５００ｎｍの光の強度は予め測定されており、受光装置１３の信号電圧は、その場合の光を受光したときに１０Ｖの大きさになるように設定されている。
それに対し、制御装置１３の基準電圧は２．０Ｖに設定されており、酸素ガスを導入しないときの値の２０％の大きさであり、プラズマ中に含まれるチタンの割合が２０％になったときに、受光装置１３の信号電圧は２Ｖになる。
制御装置２０には、スパッタリング電源２１と、酸素ガスの流量制御装置３３ｂも接続されており、第１、第２のチタンターゲット１２1、１２2への投入電力や、真空槽１１内に導入される酸素ガスの流量は、制御装置２０によって変更できるように構成されている。
制御装置２０により、受光装置１３が出力する信号電圧は基準電圧と比較され、出力電圧が基準電圧と等しくなるように酸素ガスの導入量が増減される。
即ち、所定の投入電力でスパッタリングガスだけを導入したときのチタンの発光光の強度を１００％とすると、同じ投入電力でスパッタリングガスに加えて酸素ガスを導入したときのチタンの発光光の強度が２０％になるように、酸素ガスの導入量が制御される。
即ち、所定の投入電力でスパッタリングガスだけを導入したときのチタンの発光光の強度を１００％とすると、同じ投入電力でスパッタリングガスに加えて酸素ガスを導入したときのチタンの発光光の強度が２０％になるように、酸素ガスの導入量が制御される。
第１、第２のチタンターゲット１２1、１２2への印加電圧の周波数を４０ｋＨｚにし、チタンの発光光の強度が２０％になるように制御しながら、下記条件でスパッタリングを行った。基板とターゲットの間の距離は１５０ｍｍである。スパッタリング中は基板１５は加熱しない。また、酸化チタン薄膜が形成された後も加熱せず、後述する図２〜図５の各測定は、加熱処理をされていない酸化チタン膜を測定対象とした。
各条件で形成した酸化チタン膜表面にメチレンブルー水溶液を接触させながら紫外線を照射して、波長６４４ｎｍの光の透過率の変化を測定した。
紫外線強度は１ｍＷ／ｃｍ2、メチレンブルー水溶液の濃度は０．０１ｍｍｏｌ／ｌ、用いたメチレンブルー水溶液の量は２０ｃｃ、サンプルサイズは７５ｍｍ×２５ｍｍである。
紫外線照射時間と透過率の関係を図２のグラフに示す。上記各条件で形成した酸化チタン膜は光触媒性能を有している。
紫外線強度は１ｍＷ／ｃｍ2、メチレンブルー水溶液の濃度は０．０１ｍｍｏｌ／ｌ、用いたメチレンブルー水溶液の量は２０ｃｃ、サンプルサイズは７５ｍｍ×２５ｍｍである。
紫外線照射時間と透過率の関係を図２のグラフに示す。上記各条件で形成した酸化チタン膜は光触媒性能を有している。
次に、各サンプル表面に純水を接触させた状態で紫外線を照射した後の接触角を測定した。紫外線照射強度は１ｍＷ／ｃｍ2、照射時間は１６時間である。
投入電力と接触角の関係を図３のグラフに示す。接触角９０°以上を撥水性、９０°〜１０°が親水性、１０°以下は超親水性と呼ばれており、６°〜７°になっているから明らかに超親水性が示されている。
投入電力と接触角の関係を図３のグラフに示す。接触角９０°以上を撥水性、９０°〜１０°が親水性、１０°以下は超親水性と呼ばれており、６°〜７°になっているから明らかに超親水性が示されている。
次に、表１の投入電力５ｋＷの条件で、膜厚が異なる酸化チタン膜を５種類形成し、メチレンブルー水溶液を接触させた状態で紫外線を照射して波長６４４ｎｍの光の透過率を測定した。紫外線強度は１ｍＷ／ｃｍ2、メチレンブルー水溶液の濃度は０．０１ｍｍｏｌ／ｌ、用いたメチレンブルー水溶液の量は２０ｃｃ、サンプルサイズは７５ｍｍ×２５ｍｍである。
紫外線照射時間と透過率の関係を図４のグラフに示す。図中、０ｎｍは、酸化チタン膜が形成されていないガラス基板の表面にメチレンブルー水溶液を接触させながら紫外線を照射した場合である。膜厚が厚い方が分解能力が高いことが分かる。
次に、投入電力５ｋＷで形成した上記５種類の膜に純水を接触させ、紫外線を照射した後の接触角を測定した。紫外線照射強度は１ｍＷ／ｃｍ2、照射時間は１６時間である。
膜厚と接触角の関係を図５のグラフに示す。全ての酸化チタン膜の接触角が６°〜７°であり、超親水性となっている。
膜厚と接触角の関係を図５のグラフに示す。全ての酸化チタン膜の接触角が６°〜７°であり、超親水性となっている。
以上は、スパッタリング中のチタンの発光光の強度が、酸素ガスを導入しないときのチタンの発光光の強度の２０％になるように酸素ガス導入量を制御したが、本発明は２０％に限定されるものではなく、２０％よりも小さい値の場合や２０％よりも大きい値の場合も加熱なしで光分解活性や超親水性等の光触媒性能を有する酸化チタン膜が形成されている。
ただし、１５％未満の場合や２５％を超える場合は、酸素ガスが過剰なため成膜速度が低下したり、又は放電が安定しなくなるため１５％以上２５％以下の範囲が好ましい。
また、上記は４０ｋＨｚの周波数の交流電圧を第１、第２のチタンターゲット１２1、１２2に印加したが、１０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下であれば、正電圧が印加されている間に第１、第２のターゲット１２1、１２2表面が帯電除去され、酸化物の安定成膜が可能である。
スパッタリングガス圧力としては、表１に記載した圧力範囲よりも広く、０．８Ｐａ以上４Ｐａ以下の範囲で加熱なしで光分解活性や超親水性等の光触媒性能を有する酸化チタン膜が形成されると予想される。
また、上記各例ではスパッタリングガスにアルゴンガスを用いたが、他の希ガスも用いることができる。
１１……真空槽
１２1、１２2……第１、第２のチタンターゲット
１５……基板
１２1、１２2……第１、第２のチタンターゲット
１５……基板
Claims (2)
- 真空槽内に第１、第２のチタンターゲットを配置し、
前記真空槽内にスパッタリングガスと酸素ガスを導入し、前記真空槽内を大気圧よりも低くした状態で
成膜対象の基板と前記第１、第２のチタンターゲットとを相対移動させ、
前記第１、第２のチタンターゲットに同じ周波数で１８０°異なる位相の交流電圧を印加してプラズマを生成し、前記第１、第２のチタンターゲットを交互にスパッタリングし、前記第１のチタンターゲットからのスパッタリング粒子と酸素の反応生成物と、前記第２のチタンターゲットからのスパッタリング粒子と酸素の反応生成物を交互に堆積させ、前記基板表面に酸化チタン膜を形成する酸化チタン膜製造方法であって、
前記酸素ガスを導入しないときの前記プラズマ中の波長５００ｎｍのチタンの発光光の強度を予め測定しておき、
前記第１、第２のチタンターゲットへの投入電力密度を３．２Ｗ／ｃｍ 2 以上６．４Ｗ／ｃｍ2以下にし、
予め測定しておいた前記発光光の強度の値を１００％としたときに、スパッタリング中の前記チタンの発光光を測定し、測定した光強度が１５％以上２５％以下になるように流量制御しながら前記酸素ガスを導入し、
前記第１、第２のチタンターゲットへ交流電圧を印加し、光触媒性を有する酸化チタン膜を前記基板上に加熱せずに形成する酸化チタン膜製造方法。 - 前記交流電圧の周波数は１０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下にされた請求項１記載の酸化チタン膜製造方法。
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