JP4635116B1 - 金属塩含有組成物、基板、基板の製造方法 - Google Patents

金属塩含有組成物、基板、基板の製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、多くの金属原料に応用可能であり、かつ、スパッタリング法と同程度の緻密で均一な金属酸化物被膜を形成するために使用しうる金属塩含有組成物と、当該金属塩含有組成物を用いて得られる金属複合体膜を表面に形成した基板、当該基板をさらに加熱することによって得られる金属複合体膜を表面に形成した基板の提供を目的とする。さらに、本発明は、そのような金属複合体膜を表面に形成した基板の製造方法の提供を目的とする。
本発明では、金属塩と、シス型構造を有する多価カルボン酸と、溶媒とを含有する金属塩含有組成物であって、金属塩に対する多価カルボン酸のモル比が0.5以上4.0以下であり、水分含有量0.05重量％以上である金属塩含有組成物を塗布法に使用して基板上に塗布する。その後、二段階の加熱処理を行う。
【選択図】図５

Description

本発明は、基板上に金属酸化物膜を形成するために使用する金属塩含有組成物であって、金属塩、シス型構造を有する多価カルボン酸、及び溶媒（水を含む）を含有する金属塩含有組成物に関する。また、本発明は、そのような金属塩含有組成物を使用して得られる金属複合体膜及び金属酸化物薄膜を表面に形成した基板、並びに金属酸化物薄膜を表面に形成した基板の製造方法に関する。
種々の金属化合物薄膜を各種基板表面にコーティングする技術として、スパッタリング法、真空蒸着法等の気相法、ゾル-ゲル法、有機酸金属塩又は有機金属錯体の熱分解等による溶液法が知られている。
まず、スパッタリング法は、緻密で均質な金属化合物薄膜を基板表面に形成することが可能であり、現在主流となっている方法である。しかし、基板表面が入り組んだ形状を有する場合、影となっている部分に金属酸化物薄膜を形成させることは不可能である。
次に、気相法は、高真空雰囲気下で薄膜調整する必要があり、コストのかかる手法である。また、結晶性の高い金属化合物薄膜は得られにくいという課題を有する。また、スパッタリング法と同様、基板表面が入り組んだ形状を有する場合、影となっている部分に金属酸化物薄膜を形成させることは不可能である。
次に、ゾルゲル法は、反応に時間のかかる金属アルコキシド等の原料の加水分解、重縮合過程を必要とするほか、ゲル化反応制御が難しく、ゲル化してしまうと塗布しにくいという課題がある。
最後に、有機酸金属塩又は有機金属錯体の熱分解する溶液法は、表面が入り組んだ形状であっても、常圧下で金属酸化物薄膜を形成することが可能である。この方法は、前駆体となる有機酸金属塩又は有機金属錯体を有機溶媒に溶解し、スピンコート等で基板上に塗布した後、常圧下空気中で熱分解させるだけで薄膜を形成できるため、比較的簡便な方法である。しかし、スパッタリング法のように、緻密で均質な金属酸化物薄膜を形成することは困難であり、酢酸塩やアルコキシド等の限られた原料についてのみ応用可能であるという課題がある。
特開２００３−２６７７０５号公報 特開平９−０１２９７６号公報 特開昭６４−１１９７７号公報 特開平１１−２５６３４２号公報
「ゾル-ゲル法および有機-無機ハイブリッド材料」技術情報協会、２００７年８月３1日、Ｐ３−１７
上述した従来技術では、アルコキシド、酢酸塩等特定の金属塩を用いたときにのみ、基板上に均一な金属酸化物薄膜を作製することが可能であった。このため、より多くの種類の金属原料を用いることができ、緻密で均一な金属酸化物薄膜を容易に製造しうる方法が求められていた。
本発明は、多くの金属原料に応用可能であり、かつ、スパッタリング法と同程度の緻密で均一な金属酸化物被膜を形成するために使用しうる金属塩含有組成物の提供を目的とする。また、本発明は、そのような金属塩含有組成物を用いて得られる金属複合体膜を表面に形成した基板、当該基板をさらに加熱することによって得られる金属複合体膜を表面に形成した基板の提供を目的とする。さらに、本発明は、そのような金属複合体膜を表面に形成した基板の製造方法の提供を目的とする。
本発明者らは、ガラス、シリコン、金属、セラミック等の材料から構成される基板に塗布法によって金属酸化物薄膜を形成させる方法について鋭意検討した結果、金属原料となる金属化合物と、シス型構造部位を少なくとも一つ含有する多価カルボン酸とを特定比率で混合し、水を含む溶媒にそれらを溶解させた溶液（金属塩含有組成物）を塗布液とすれば、基板上に緻密で均質な金属酸化物薄膜を形成可能であることを見出し、本発明を完成させるに至った。
具体的に、本発明は、
金属塩と、
−Ｃ（ＣＯＯＨ）＝Ｃ（ＣＯＯＨ）−のシス型構造を有する多価カルボン酸と、
溶媒と、
を含有する金属塩含有組成物であって、
金属塩に対する多価カルボン酸のモル比が0.5以上4.0以下であり、
水分含有量が0.05重量％以上であり、
基板上に塗布して焼成することにより金属酸化物薄膜を形成するために用いる、金属塩含有組成物に関する。
また、本発明は、
金属塩と、
−Ｃ（ＣＯＯＨ）＝Ｃ（ＣＯＯＨ）−のシス型構造を有する多価カルボン酸と、
溶媒とを含有し、
金属塩に対する多価カルボン酸のモル比が0.5以上4.0以下であり、水分含有量が0.05重量％以上である溶液を基板表面に塗布し、100℃以上250℃以下の温度で加熱乾燥することにより得られる、金属複合体膜を表面に形成した基板に関する。
また、本発明は、
金属塩と、
−Ｃ（ＣＯＯＨ）＝Ｃ（ＣＯＯＨ）−のシス型構造を有する多価カルボン酸と、
溶媒とを含有し、金属塩に対する多価カルボン酸のモル比が0.5以上4.0以下であり、水分含有量が0.05重量％以上である溶液を基板表面に塗布する塗布工程と、
100℃以上250℃以下の温度で前記溶液を加熱乾燥する一次加熱工程と、
一次加熱工程後の基板をさらに400℃以上の温度で加熱する二次加熱工程と、
を有する金属酸化薄膜を表面に形成した基板の製造方法に関する。
シス型構造部位を持たない多価カルボン酸を用いた場合、基板上に得られる金属酸化物薄膜の均一性が低下したことから、シス型構造部位が必要であることが確認されている。なお、本発明のおける多価カルボン酸のＣ＝Ｃ結合は、芳香環を構成する炭素−炭素二重結合であってもよい。
ここで、金属塩と、シス型構造を有する多価カルボン酸と、溶媒とを含有する溶液（塗布液）は、溶液としての水分含有量が0.05重量％以上である必要がある。金属塩が水和物であってもよく、溶媒が水を含むものであってもよい。塗布液全体として、水分を0.05重量％以上含有すれば足りる。
金属塩に対する多価カルボン酸の添加量が少なすぎると金属酸化物薄膜の均一性が低下し、逆に多すぎると焼成時に基板上の膜中の有機分が多くなりすぎるため、膜の均一性が低下する。このため、金属塩に対する多価カルボン酸のモル比は、0.5以上4.0以下とすることが好ましく、0.8以上2.0以上とすることがより好ましい。
金属塩含有組成物（塗布液）中の金属塩の含有量（濃度）については、金属塩が溶媒中に溶解すれば足りるため特に限定はされないが、目的とする金属酸化物薄膜の膜厚に応じて、適宜調節することができる。なお、実用的な膜厚を得ると言う観点からは、金属塩の含有量が0.005mol/L以上1mol/L以下であることが好ましい。
金属塩含有組成物は、塗布液としてスプレー、スピンコート、スクリーン印刷、アプリケーター、バーコーター、ロールコート、グラビアコート等を利用する塗布法における公知の手法によって、基板上に塗布することができる。このとき、塗布液は塗布手法の特性に合わせ、塗布時の膜厚が均一となるように塗布することが好ましい。
本発明において使用できる溶媒としては、金属塩及び多価カルボン酸を安定に溶解できれば足りるため特に限定はされないが、例えば、水、メタノール、エタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、１，３−プロパンジオール、１，3−ブタンジオール、３−メトキシメチルブタノール、N-メチルピロリドン、テルピネオール等が挙げられる。
前記金属塩は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ及びＳｂからなる群より選択される１種以上の塩であることが好ましい。
前記金属塩は、硝酸塩、硫酸塩、カルボン酸塩、ハロゲン化物、アルコキシド及びアセチルアセトン塩からなる群から選択される１種以上の金属塩であることが好ましい。
前記多価カルボン酸は、マレイン酸、シトラコン酸、フタル酸及びトリメリット酸からなる群より選択される１種以上であることが好ましい。分解温度が低く、より緻密な金属酸化物薄膜ができる点で、特にマレイン酸が好ましい。なお、上記多価カルボン酸の無水物と、水を含む溶媒とを併せて使用することにより、溶液中で多価カルボン酸を発生させてもよい。
また、本発明は、
金属塩と、
−Ｃ（ＣＯＯＨ）＝Ｃ（ＣＯＯＨ）−のシス型構造を有する多価カルボン酸と、
溶媒とを含有し、
金属塩に対する多価カルボン酸のモル比が0.5以上4.0以下であり、水分含有量が0.05重量％以上である溶液を基板表面に塗布し、100℃以上250℃以下の温度で加熱乾燥することにより得られる、金属複合体膜を表面に形成した基板を、さらに400℃以上の温度で加熱することにより得られる、金属酸化物膜を表面に形成した基板に関する。
本発明の上記目的、他の目的、特徴および利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明によれば、各種の金属原料を塗布法に応用して、従来の塗布法よりも緻密かつ均一な金属酸化物薄膜を、低コストで基板上に作製することが可能となる。
図１は、実施例１の一次加熱後の基板表面のＳＥＭ写真である。 図２は、比較例１の一次加熱後の基板表面のＳＥＭ写真である。 図３は、比較例４の一次加熱後の基板表面のＳＥＭ写真である。 図４は、比較例５の一次加熱後の基板表面のＳＥＭ写真である。 図５は、実施例１の二次加熱後の基板表面のＳＥＭ写真である。 図６は、比較例１の二次加熱後の基板表面のＳＥＭ写真である。 図７は、比較例４の二次加熱後の基板表面のＳＥＭ写真である。 図８は、比較例５の二次加熱後の基板表面のＳＥＭ写真である。 図９は、比較例１４の基板表面のＳＥＭ写真である。 図１０は、比較例１５の基板表面のＳＥＭ写真である。
以下、本発明の実施の形態について、適宜図面を参酌しながら説明する。
［実施例１］
硝酸亜鉛六水和物 0.8924g（0.003mol）、マレイン酸 0.5221g（0.0045mol）、3-メトキシ-3-メチル-1-ブタノール（MMB、製品名ソルフィットファイングレード、クラレ(株)製） 7.96ｇを混合し、超音波バスで10〜30分間超音波処理して金属塩の含有量が0.3mol/Lの溶液（金属塩含有組成物）を調製し、その性状を確認した。
次に、調製した溶液をスライドガラス（ガラス基板）上にスピンコート（2000rpm×30秒間）した後、送風乾燥炉にて150℃×10分間一次加熱した後、基板表面に形成された金属複合体薄膜の外観観察を行った。さらに、電気マッフル炉で500℃×30分間空気中で基板を二次加熱（焼成）した後、基板表面に形成された金属酸化物薄膜の外観観察を行った。なお、基板表面に形成される金属複合体薄膜及び金属酸化物薄膜の膜厚は、0.03μｍ以上0.05μｍ以下の範囲であった。
［実施例２〜４６］
金属塩、多価カルボン酸、モル比、溶媒を変え、実施例１と同様の操作を行った。また、一次加熱後及び二次加熱後に基板表面の外観観察を行った。実施例１〜４６の組成及び観察結果を、表１に示す。
なお、表１において、モル比とは金属塩に対する多価カルボン酸のモル比と意味する。外観１は一次加熱後の金属複合体薄膜の外観、外観２は二次加熱後の金属酸化物薄膜の外観を意味する。クラックは二次加熱後の金属酸化物薄膜におけるクラックの有無を意味する。また、実施例４３〜４６においては、２種類の金属硝酸塩を等モル混合した物を使用した。
また、表１及び後述する表２における3-メトキシ-3-メチル-1-ブタノール（MMB）は、水を0.05重量%程度含有している。
［比較例１〜１３］
金属塩として硝酸亜鉛を使用し、カルボン酸等の種類や使用量を変え、実施例１と同様の操作を行った。また、実施例１と同様の観察を行った。その結果を、表２に示す。なお、基板表面に形成される金属複合体薄膜及び金属酸化物薄膜の膜厚は、0.05μｍ以上１μｍ以下の範囲であった。
実施例１〜４６では、−Ｃ（ＣＯＯＨ）＝Ｃ（ＣＯＯＨ）−のシス型構造を有する多価カルボン酸を、金属塩に対して1.5倍のモル比で混合して溶媒に溶解させたが、いずれの実施例においても溶液（金属塩含有組成物）の性状は、透明な液体であった。このため、スピンコートによってスライドガラス上に均一に塗布することが可能であった。また、一次乾燥後の基板上に形成される金属複合体薄膜は、均一で白濁やクラックは認められなかった。
一方、比較例７〜９、１１、１２では、金属塩とカルボン酸等とを溶媒と混合しても、溶解させることができないか、又はすぐにゲル状となってスピンコートによりスライドガラス上に塗布することができなかった。また、これら以外の比較例では、透明な溶液となったが、一次加熱後の基板を観察すると、薄膜が白濁したり、表面にムラやクラックが発生した。そのような基板は、二次加熱後も同じ状態であった。
（一次乾燥後に形成される金属複合体）
ここで、硝酸亜鉛六水和物 0.8924g(0.003mol)、マレイン酸 0.5221g(0.0045mol)、メタノール 7 g、水1gを混合し、超音波バスで10〜30分間処理することにより溶解させた。その後、溶媒を蒸発させることで淡白色の粉体が得られた。この粉体を150℃で10分間加熱すると、粉体の色が黄色〜茶色に変色した。
この黄色〜茶色の粉体をCDCl3溶液に溶かし、1H-NMRスペクトルを測定するとピークは現れなかった。一方、D2O溶液に溶かし、同様に1H-NMRスペクトルを測定するとケミカルシフトの位置にピークが観測され、マレイン酸のみのNMRスペクトルと比較して低磁場シフトしていた。
亜鉛と結合していないマレイン酸が残存している場合、CDCl3溶液にマレイン酸が溶解するため、黄色〜茶色の上記粉体をCDCl3溶液に溶かしたサンプルでマレイン酸のNMRスペクトルが観測されるはずである。しかし、マレイン酸のNMRスペクトルが観察されなかったことから、D2O溶液に溶かした場合のスペクトルのケミカルシフトの状況から考えて、上記粉体は亜鉛：マレイン酸＝1:1の錯体であると推測された。
なお、亜鉛以外の２価の金属塩と、−Ｃ（ＣＯＯＨ）＝Ｃ（ＣＯＯＨ）−のシス型構造を有するマレイン酸以外の多価カルボン酸とを溶媒に溶解させた溶液についても、上記と同様の検討を行った結果、金属：マレイン酸＝１：１の錯体と推測されるＮＭＲスペクトルのケミカルシフトが観測された。よって、一次乾燥工程後、基板表面には下記式で表される金属複合体の薄膜が形成されることが推定された。なお、下記式において、Ｍは２価金属である。
（基板表面の電子顕微鏡写真）
実施例１で作製した基板の、一次加熱後の基板表面（塗布液をスピンコートした面）の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を、図１に示す。また、比較例１、４、５で作製した基板の、一次加熱後の基板表面（塗布液をスピンコートした面）のＳＥＭ写真を、それぞれ図２、３、４に示す。
実施例１の基板表面は均一であり、緻密な金属複合体薄膜が形成されていることが確認された。一方、比較例１の基板は凝集体の形成および、緻密度の低い膜が形成されていることが確認され、比較例４の基板は凝集体の形成が確認され、比較例５の基板は凝集体の形成が確認され、均一、緻密な膜は形成できなかった。
また、実施例１で作製した基板の、二次加熱後の基板表面（塗布液をスピンコートした面）の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を、図５に示す。また、比較例１、４、５で作製した基板の、二次加熱後の基板表面（塗布液をスピンコートした面）のＳＥＭ写真を、それぞれ図６、７、８に示す。
実施例１の基板表面は均一であり、緻密な金属酸化物薄膜が形成されていることが確認された。一方、比較例１、４、５の基板は不均一であり、クラックが多く認められ、金属酸化物薄膜を形成させた基板としての実用的価値は認められなかった。
（二次加熱温度）
二次加熱は、400℃以上の温度とする必要があり、上記実施例では500℃とした。二次加熱の上限温度は基板の耐熱温度によって決めることが好ましい。例えば、スライドグラスより耐熱温度が低い基板であれば400℃に近い温度で二次加熱することが好ましく、逆にスライドグラスよりも耐熱温度が高い基板であれば、基板の耐熱温度に近い高温で二次加熱することが可能である。
（一次加熱の効果）
［比較例１４］
調製した溶液を、スライドガラス上にスピンコートした後、送風乾燥炉にて150℃×10分間加熱することなく、電気マッフル炉で500℃×30分間空気中で基板を加熱（焼成）した以外は、すべて実施例１と同様の操作を行い、基板表面に形成された金属酸化物薄膜の外観を観察した。すなわち、実施例１において一次加熱を省略して基板上に金属酸化物薄膜を形成させた。
比較例１４の基板表面（塗布液をスピンコートした面）を外観観察した結果、均一性はある程度見られるものの、全体に全体に斑状痕が発生していた。全体に斑状痕が発生していた。このため、金属酸化物薄膜を形成させた基板としての実用的価値は認められなかった。なお、比較例１４の薄膜表面の電子顕微鏡写真を、図９に示す。ＳＥＭ写真より、細かいクラックが発生していることを確認した。
実施例１と比較例１４との比較から、同じ塗布液を基板上に塗布しても、所定の温度で一次加熱及び二次加熱を順次行わなければ、緻密で均一な金属酸化物薄膜を基板上に形成させることができないことが確認された。
（水含有量の影響）
［比較例１5］
水分含有量を0.03重量%とした以外は、すべて実施例１と同様の操作を行った。また、実施例１と同様の外観観察及びＳＥＭ写真撮影を行った。外観を観察したところ、ある程度均一であったが、ＳＥＭ写真を見ると、細かいクラックが全面に発生していることが確認された。なお、比較例１５の基板表面（塗布液をスピンコートした面）のＳＥＭ写真を、図１０に示す。
実施例１と比較例１５との比較から、塗布液中に水分を含まなければ、緻密で均一な金属酸化物薄膜を基板上に形成させることができないことが確認された。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。したがって、上記説明は例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の金属塩含有組成物、基板、基板の製造方法は、コーティング膜、透明導電性膜を有する基板の製造等、半導体分野等において有用である。

Claims (16)

  1. 金属塩と、
    −Ｃ（ＣＯＯＨ）＝Ｃ（ＣＯＯＨ）−のシス型構造を有する多価カルボン酸と、
    溶媒と、
    を含有する金属塩含有組成物であって、
    金属塩に対する多価カルボン酸のモル比が0.5以上4.0以下であり、
    水分含有量が0.05重量％以上であり、
    基板上に塗布して焼成することにより金属酸化物薄膜を形成するために用いる、金属塩含有組成物。
  2. 前記金属塩がＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ及びＳｂからなる群より選択される１種以上の塩である請求項１に記載の金属塩含有組成物。
  3. 前記金属塩が硝酸塩、硫酸塩、カルボン酸塩、ハロゲン化物、アルコキシド及びアセチルアセトン塩からなる群から選択される１種以上の金属塩である請求項１に記載の金属塩含有組成物。
  4. 前記多価カルボン酸がマレイン酸、シトラコン酸、フタル酸及びトリメリット酸からなる群より選択される１種以上である請求項１に記載の金属塩含有組成物。
  5. 前記金属塩の含有量が0.005mol/L以上1mol/L以下である請求項１に記載の金属塩含有組成物。
  6. 金属塩と、
    −Ｃ（ＣＯＯＨ）＝Ｃ（ＣＯＯＨ）−のシス型構造を有する多価カルボン酸と、
    溶媒とを含有し、
    金属塩に対する多価カルボン酸のモル比が0.5以上4.0以下であり、水分含有量が0.05重量％以上である溶液を基板表面に塗布し、100℃以上250℃以下の温度で加熱乾燥することにより得られる、金属複合体膜を表面に形成した基板。
  7. 前記金属塩がＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ及びＳｂからなる群より選択される１種以上の塩である請求項６に記載の基板。
  8. 前記金属塩が硝酸塩、硫酸塩、カルボン酸塩、ハロゲン化物、アルコキシド及びアセチルアセトン塩からなる群から選択される１種以上の金属塩である請求項６に記載の基板。
  9. 前記多価カルボン酸がマレイン酸、シトラコン酸、フタル酸及びトリメリット酸からなる群より選択される１種以上である請求項６に記載の基板。
  10. 前記金属塩の含有量が0.005mol/L以上1mol/L以下である請求項６に記載の基板。
  11. 請求項６に記載の基板を、さらに400℃以上の温度で加熱することにより得られる、金属酸化物膜を表面に形成した基板。
  12. 金属塩と、
    −Ｃ（ＣＯＯＨ）＝Ｃ（ＣＯＯＨ）−のシス型構造を有する多価カルボン酸と、
    溶媒とを含有し、金属塩に対する多価カルボン酸のモル比が0.5以上4.0以下であり、水分含有量が0.05重量％以上である溶液を基板表面に塗布する塗布工程と、
    100℃以上250℃以下の温度で前記溶液を加熱乾燥する一次加熱工程と、
    一次加熱工程後の基板をさらに400℃以上の温度で加熱する二次加熱工程と、
    を有する金属酸化薄膜を表面に形成した基板の製造方法。
  13. 前記金属塩がＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ及びＳｂからなる群より選択される１種以上の塩である請求項１２に記載の基板の製造方法。
  14. 前記金属塩が硝酸塩、硫酸塩、カルボン酸塩、ハロゲン化物、アルコキシド及びアセチルアセトン塩からなる群から選択される１種以上の金属塩である請求項１２に記載の基板の製造方法。
  15. 前記多価カルボン酸がマレイン酸、シトラコン酸、フタル酸及びトリメリット酸からなる群より選択される１種以上である請求項１２に記載の基板の製造方法。
  16. 前記溶液における前記金属塩の含有量が0.005mol/L以上1mol/L以下である請求項１２に記載の基板の製造方法。
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