JP5468191B2 - 有色基材の製造方法および有色基材 - Google Patents
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Description
また、本発明の他の目的は、耐熱性の低いプラスチック樹脂からなる基体に対して、低い反応温度で、かつ高い成膜レートで製造した有色基材を提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、耐熱性の低いプラスチック樹脂からなる基体と着色性薄膜の密着性が向上した有色基材を提供することにある。
したがって、従来のように基体の温度を上昇させて反応性を向上させる必要が無く、低い温度であっても十分に反応を行うことが可能となると共に、成膜レートも高く維持することができる。これにより、耐熱性の低いプラスチック樹脂からなる基体などに対しても、十分に反応を行うことが可能となり、従来の反応性スパッタリング法では実施不可能であった耐熱性の低いプラスチック樹脂からなる基体に対しても、膜質のよい有色基材を短いタクトタイムで製造することができる。
また、中間層の膜原料物質を反応プロセス領域で反応させて膜原料物質の酸化物または不完全化合物(半酸化物)を生成させることができるため、従来の反応性スパッタリング法では得ることが困難であった金属の酸化物または不完全化合物(半酸化物)を中間層として用いることができる。このため、基体の表面と着色性薄膜の密着性を従来よりもさらに向上させることができる。
このように、中間層がこれらの金属の酸化物または不完全化合物(半酸化物)で形成されることで、着色性薄膜の色調を適宜調整することができる。
このように、中間層の膜厚が200nm以上500nm以下であるため、着色性薄膜の色調を調整することができる。また、例えば基体が透明である場合、上記膜厚を有する中間層が形成されることで、基体の裏側(着色性薄膜の形成される側とは反対側)から光が透過しにくくなり、この透過光による着色性薄膜の色調の変化を防止することができる。
また、本発明の有色基材によれば、着色性薄膜が金属薄膜と反応性ガスとの化合物または不完全化合物で形成されるため、低い温度でかつ成膜レートを高く維持した状態で成膜を行うことが可能となり、膜質がよく低コストの有色基材を提供することができる。
さらに、本発明の有色基材によれば、中間層が金属薄膜と酸素ガスとの化合物または不完全化合物(半酸化物)で形成されるため、基体の表面と着色性薄膜との密着性をより向上させることが可能となる。したがって、有色基材の耐摩耗性を向上させることができる。
この図に示すように、本発明の有色基材Pは、基板Sの表面に着色性薄膜F1と中間層F2が形成されたものである。
本実施形態の中間層F2は、チタン(Ti)またはジルコニウム(Zr)からなる群から選択される1または2種類以上の金属薄膜、もしくはこれら金属薄膜の化合物(この場合は、酸化物)もしくは不完全化合物(この場合は、半酸化物)で形成されている。中間層F2は、金属薄膜であってもその完全・不完全反応物であってもよい。金属薄膜の酸化物は、中間層F2の全体にわたって金属が酸化反応により酸化した状態を意味している。また、半酸化物は、金属薄膜の表面側(すなわち、着色性薄膜F1側)のみが酸化して、基板Sの表面側はほとんど酸化されずに金属の状態であることを意味する。中間層F2の厚さとしては、1〜100nm程度である。
本発明の有色基材Pは、以下に説明するスパッタを行う成膜プロセス領域とプラズマ処理を行う反応プロセス領域を分離した薄膜形成装置を用いて、反応性スパッタリングにより製造している。
このような一般的な反応性スパッタリングでは、ターゲットの表面の金属が反応性ガスと反応してターゲットの表面に金属と反応性ガスの化合物が形成され、これによりターゲットに高周波電圧を印加する際に異常放電が発生するといった不都合があった。
具体的には、スパッタ処理とプラズマ処理によって組成変換後における膜厚の平均値が0.01〜1.5nm程度の中間薄膜を基板Sの表面に形成する工程を、回転ドラムの回転毎に繰り返すことにより、目的とする数nm〜数百nm程度の膜厚を有する最終薄膜を形成している。
図2に示すように、本実施形態の薄膜形成装置1は、真空容器11と、回転ドラム13と、モータ17(図3参照)と、スパッタ手段20と、スパッタガス供給手段30と、プラズマ発生手段60と、反応性ガス供給手段70と、を主要な構成要素としている。
なお、図中では、スパッタ手段20およびプラズマ発生手段60は破線で、スパッタガス供給手段30および反応性ガス供給手段70は一点鎖線で表示している。
本実施形態では、中間層F2として酸化チタン(TiO2)を成膜し、着色性薄膜F1として窒化チタン(TiN)を成膜した例について説明する。
また、ロードロック室11Bには排気用の配管16bが接続され、この配管16bには真空容器11の内部を排気するための真空ポンプ15bが接続されている。
なお、本実施形態の真空容器11は、ロードロック室11Bを備えるロードロック方式を採用しているが、ロードロック室11Bを設けないシングルチャンバ方式を採用することも可能である。また、複数の真空室を備え、それぞれの真空室で独立に薄膜形成を行うことが可能なマルチチャンバ方式を採用することも可能である。
基板保持板13aはステンレススチール製の平板状部材で、基板Sを保持するための複数の基板保持孔を、基板保持板13aの長手方向に沿って板面中央部に一列に備えている。基板Sは、基板保持板13aの基板保持孔に収納され、脱落しないようにネジ部材等を用いて基板保持板13aに固定されている。また、基板保持板13aの長手方向の両端部には、後述する締結具13cを挿通可能なネジ穴が板面に設けられている。
なお、本実施形態における回転ドラム13は、平板状の基板保持板13aを複数配置しているため横断面が多角形をした多角柱状をしているが、このような多角柱状のものに限定されず、円筒状や円錐状のものであってもよい。
以下に、成膜プロセス領域20Aについて説明する。
図4に示すように、成膜プロセス領域20Aにはスパッタ手段20が設置されている。
スパッタ手段20は、一対のターゲット22a,22bと、ターゲット22a,22bを保持する一対のマグネトロンスパッタ電極21a,21bと、マグネトロンスパッタ電極21a,21bに電力を供給する交流電源24と、交流電源24からの電力量を調整する電力制御手段としてのトランス23により構成される。
真空容器11の壁面は外方に突出しており、この突出部の内壁にマグネトロンスパッタ電極21a,21bが側壁を貫通した状態で配設されている。このマグネトロンスパッタ電極21a,21bは、接地電位にある真空容器11に不図示の絶縁部材を介して固定されている。
中間層F2の成膜時には、ターゲット22a,22bの材料として、種々の材料の中から着色性薄膜F1と基板Sとの間の密着性を向上させるのに適した材料を選択して採用する。このような材料の具体例としては、例えば、チタン(Ti)またはジルコニウム(Zr)もしくはこれらの金属の合金などを採用することができる。
着色性薄膜F1の成膜時には、ターゲット22a,22bの材料として、最終的に得られる有色基材Pの色調、硬度、耐摩耗性などの特性に応じて、種々の材料の中から適当な材料を選択して採用する。このような材料の具体例としては、例えば、チタン(Ti)またはジルコニウム(Zr)もしくはこれらの金属の合金などを採用することができる。
本実施形態では、上述したように、中間層F2および着色性薄膜F1ともにチタン(Ti)の化合物または不完全化合物で形成されているため、中間層F2の成膜時および着色性薄膜F1の成膜時のいずれの場合もターゲット22a,22bとしてチタン(Ti)を用いている。
スパッタガスとしては、例えばアルゴンやヘリウム等の不活性ガスが挙げられる。本実施形態ではアルゴンガスを使用している。
続いて、反応プロセス領域60Aについて説明する。上述したように、反応プロセス領域60Aでは、成膜プロセス領域20Aで基板Sの表面に付着した膜原料物質をプラズマ処理して、膜原料物質の化合物または不完全化合物からなる薄膜の形成を行う。
このような構成を備えることで、反応プロセス領域60A内に、窒素ガスボンベ71から窒素ガスを、酸素ガスボンベ73から酸素ガスを供給することが可能となっている。
本実施形態の薄膜形成装置1では、高周波電源65からアンテナ63に周波数1〜27MHzの交流電圧を印加して、反応プロセス領域60Aに反応性ガスのプラズマを発生させるように構成されている。
アンテナ63は、導線部を介してマッチングボックス64に接続されている。導線部はアンテナ63と同様の素材からなる。ケース体61には、導線部を挿通するための挿通孔が形成されており、アンテナ収容室61A内側のアンテナ63と、アンテナ収容室61A外側のマッチングボックス64とは、挿通孔に挿通される導線部を介して接続される。導線部と挿通孔との間にはシール部材が設けられ、アンテナ収容室61Aの内外で気密が保たれる。
なお、窒素ガスボンベ71と酸素ガスボンベ73は、成膜プロセス領域20Aのスパッタガスボンベ32と同様の装置とすることが可能である。また、マスフローコントローラ72とマスフローコントローラ74は、成膜プロセス領域20Aのマスフローコントローラ31と同様の装置を採用することが可能である。
具体的には、中間層F2の成膜時には、反応性ガス供給手段70から酸素ガスのみが導入され、膜原料物質であるチタン(Ti)が酸化されて酸化チタン(TiO2)が生成する。一方、着色性薄膜F1の成膜時には、反応性ガス供給手段70から窒素ガスのみが導入され、膜原料物質であるチタン(Ti)が窒化されて窒化チタン(TiN)が生成する。
また、窒酸化物を形成する場合は、窒素ガスと酸素ガスの混合ガスを反応プロセス領域60A内に導入する。
なお、着色性薄膜F1を金属の炭化物とする場合は、窒素ガスに換えて一酸化炭素ガスを用いる。また、窒炭化物を形成する場合は、窒素ガスを供給する窒素ガスボンベと一酸化炭素を供給する一酸化炭素ガスボンベの2種類のガスボンベを設けて、これらのガスの混合ガスを反応プロセス領域60A内に導入する。
本実施形態の薄膜形成装置1は、反応性ガス供給手段70から供給される反応性ガスの流量をマスフローコントローラ72にて調整することで、着色性薄膜F1が目的とする色調を呈するように調整することが可能となっている。
したがって、従来のように基板Sの温度を上昇させて反応性を向上させる必要が無く、低い温度で十分に反応を行うことが可能となる。これにより、耐熱性の低いプラスチック樹脂からなる基板Sなどに対しても、十分に反応を行うことが可能となり、膜質のよい有色基材Pを提供することができる。
なお、基板Sの温度を制御する温度制御手段を設けて基板Sの温度を所定の温度とすることができるのはいうまでもない。この場合、基板Sの耐熱性温度より低い温度となるように温度制御手段を制御することが好ましい。具体的には、温度を上昇させる加熱手段と、温度を下降させる冷却手段の両方を設けると共に、基板Sの配置される位置に温度センサを設けて、この温度センサで検知した温度に基づいて温度制御手段をフィードバック制御すると好ましい。
まず、回転ドラム13に基板Sをセットし、真空容器11内に収容する。そして、真空容器11内を密閉した状態で、真空ポンプ15aを用いて真空容器11内を10−1〜10−5Pa程度の高真空状態にする。
続いて、中間層F2を形成する。まず、回転ドラム13を回転して基板Sを成膜プロセス領域20Aに移動させる。そして、成膜プロセス領域20Aでターゲット22a,22bをスパッタして基板Sの表面にチタン(Ti)を付着させる(第1スパッタ工程)。次に、回転ドラム13を回転して、基板Sを反応プロセス領域60Aに搬送する(第1基体搬送工程)。続いて、反応プロセス領域60Aに酸素ガスを導入する。そして、反応プロセス領域60Aにて酸素ガスのプラズマを発生させて基板Sの表面に付着したチタンを酸化チタン(TiO2)に変換する(第1プラズマ処理工程)。この工程を所定の膜厚となるまで複数回繰り返して酸化チタン(TiO2)からなる中間層F2を形成する(以上、中間層形成工程)。
まず、中間層F2が形成された基板Sを成膜プロセス領域20Aに再度搬送する。次に、成膜プロセス領域20Aでターゲット22a,22bをスパッタしてすでに基板S上に形成されている中間層F2の表面にチタン(Ti)を付着させる(第2スパッタ工程)。次に、回転ドラム13を回転して、基板Sを反応プロセス領域60Aに搬送する(第2基体搬送工程)。そして、反応プロセス領域60Aにて窒素ガスのプラズマを発生させてこのチタン(Ti)を窒化チタン(TiN)に変換する(第2プラズマ処理工程)。この工程を所定の膜厚となるまで複数回繰り返して窒化チタン(TiN)からなる着色性薄膜F1を形成する(以上、着色性薄膜形成工程)。以上の工程により、有色基材Pを製造する。
また、中間層F2を金属薄膜で形成する場合は、上述した中間層プラズマ処理工程を行わないようにすればよい。
図6は薄膜形成装置を上面から見た説明図である。この図に示すように、回転ドラム13の回転軸を中心として成膜プロセス領域20A(第1成膜プロセス領域)と対称となる真空容器11の内部の領域には、第2成膜プロセス領域としての成膜プロセス領域40Aが形成されている。そして、成膜プロセス領域40Aには、第2スパッタ手段としてのスパッタ手段40、および第2スパッタガス供給手段としてのスパッタガス供給手段50が配設されている。
なお、スパッタ手段40は、第1スパッタ手段としてのスパッタ手段20と同様の構成であり、スパッタガス供給手段50は、第1スパッタガス供給手段としてのスパッタガス供給手段30と同様の構成であるため、詳細な説明はここでは省略する。
まず、成膜プロセス領域20Aでターゲット22a,22bをスパッタして基板Sの表面にチタン(Ti)を付着させ(中間層スパッタ工程)、次に基板Sを反応プロセス領域60A内に搬送し(中間層基体搬送工程)、反応プロセス領域60Aにて酸素ガスのプラズマを発生させてチタン(Ti)を酸化チタン(TiO 2 )に変換する(中間層プラズマ処理工程)。この工程を所定の膜厚になるまで複数回繰り返して酸化チタン(TiO 2 )からなる中間層F2を形成する(中間層形成工程)。
(実施例1〜8)
図1に示される薄膜形成装置を用いて、基板Sに各種のプラスチック樹脂材料からなる基板を使用して、中間層F2に酸化チタン(TiO2)、着色性薄膜F1に窒化チタン(TiN)の成膜を行った。
光学リフレクタの製造は、真空容器11の内部に成膜プロセス領域20Aのみを備えた薄膜形成装置1を用いて行った(図2参照)。基板Sとして、直径30cm、厚さ1.0mmの円板状のプラスチック樹脂基板を使用した。プラスチック樹脂の種類は、各種の材料を用いた。
実施例1:ポリカーボネート(以下、PC)
実施例2:PC+ポリエチレンテレフタレート(以下、PET)
実施例3:ポリブチレンテレフタレート(以下、PBT)+PET
実施例4:PC+PBT
実施例5:PC+ポリエステル(以下、PE)
実施例6:PC+PBT+ガラス繊維
実施例7:PBT+ガラス繊維
実施例8:PC+アクリルニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体(以下、ABS共重合体)+ガラス繊維
スパッタのターゲット22a,22bとしてチタン(Ti)を使用し、中間層F2の成膜時には反応プロセス領域60A内に酸素ガスを、着色性薄膜F1の成膜時には反応プロセス領域60A内に窒素ガスを導入した。成膜は温度無制御で行った。成膜時の温度は80℃であった。
<成膜プロセス領域20A>
スパッタ電力:4.0kW
周波数:40kHz
アルゴンガスの流量:300sccm
<反応プロセス領域60A>
アンテナに印加される電力:1.0kW
周波数:13.56MHz
酸素ガスの流量:100sccm
<成膜プロセス領域20A>
スパッタ電力:5.0kW
周波数:40kHz
アルゴンガスの流量:150sccm
<反応プロセス領域60A>
アンテナに印加される電力:5.0kW
周波数:13.56MHz
窒素ガスの流量:70sccm
さらに、テープテストの結果から、形成された着色性薄膜F1がほとんど剥がれていないことがわかる。これは、着色性薄膜F1が基板Sの表面に中間層F2を介して強固に付着していることを示している。また、60℃、90%湿度の環境下で162時間経過した後も、テープテストの結果、形成された着色性薄膜F1がほとんど剥がれていなかったことから、着色性薄膜F1が基板Sの表面に中間層F2を介して安定的に付着していることがわかる。
11 真空容器
11a 開口
11A 薄膜形成室
11B ロードロック室
11C 扉
11D 扉
12 仕切壁
13 回転ドラム
13a 基板保持板
13b フレーム
13c 締結具
14 仕切壁
15a 真空ポンプ
15b 真空ポンプ
16a−1 配管
16a−2 配管
16b 配管
17 モータ
17a モータ回転軸
18 ドラム回転軸
20 スパッタ手段(第1スパッタ手段)
20A 成膜プロセス領域(第1成膜プロセス領域)
21a マグネトロンスパッタ電極
21b マグネトロンスパッタ電極
22a ターゲット
22b ターゲット
23 トランス
24 交流電源
30 スパッタガス供給手段(第1スパッタガス供給手段)
31 マスフローコントローラ
32 スパッタガスボンベ
35a 配管
35b 導入口
35c 配管
40 スパッタ手段(第2スパッタ手段)
40A 成膜プロセス領域(第2成膜プロセス領域)
42a ターゲット
42b ターゲット
50 スパッタガス供給手段(第2スパッタガス供給手段)
60 プラズマ発生手段
60A 反応プロセス領域
61 ケース体
61A アンテナ収容室
62 誘電体板
63 アンテナ
64 マッチングボックス
65 高周波電源
66 グリッド
70 反応性ガス供給手段
71 窒素ガスボンベ
72 マスフローコントローラ
73 酸素ガスボンベ
74 マスフローコントローラ
75a 配管
S 基板(基体)
V1 バルブ
V2 バルブ
V3 バルブ
Z 回転軸線
P 有色基材
F1 着色性薄膜
F2 中間層
Claims (6)
- プラスチック樹脂からなる基体の表面に着色性薄膜が形成された有色基材の製造方法であって、
真空容器内の中間層成膜プロセス領域内で金属からなるターゲットをスパッタして前記基体の表面に前記金属からなる中間層膜原料物質を付着させる中間層スパッタ工程と、
前記真空容器内で前記中間層成膜プロセス領域とは離間した位置に形成された中間層反応プロセス領域内に前記基体を搬送する中間層基体搬送工程と、
前記中間層反応プロセス領域内に少なくとも酸素ガスを導入した状態で、該酸素ガスのプラズマを発生させて前記酸素ガスと前記中間層膜原料物質とを反応させ、前記酸素ガスと前記中間層膜原料物質の化合物または不完全化合物を生成させる中間層プラズマ処理工程と、
からなる一連の工程を複数回行って前記基体の表面に中間層を形成する中間層形成工程を行った後、
前記真空容器内で前記中間層成膜プロセス領域と同一または異なる位置に形成された成膜プロセス領域内で、前記中間層スパッタ工程で用いた前記ターゲットと同じ前記金属からなるターゲットをスパッタして前記中間層の表面に前記金属からなる着色性薄膜原料物質を付着させるスパッタ工程と、
前記真空容器内で前記成膜プロセス領域とは離間した位置に形成された反応プロセス領域内に前記基体を搬送する基体搬送工程と、
前記反応プロセス領域内に少なくとも1種類の反応性ガスを導入した状態で、該反応性ガスのプラズマを発生させて前記反応性ガスと前記着色性薄膜原料物質とを反応させ、前記反応性ガスと前記着色性薄膜原料物質の化合物または不完全化合物を生成させるプラズマ処理工程と、
からなる一連の工程を複数回行って前記着色性薄膜を形成する着色性薄膜形成工程を行うことを特徴とする有色基材の製造方法。 - 前記各工程は、温度制御下または非制御下で前記基体の温度が20〜300℃の範囲となるように行われることを特徴とする請求項1記載の有色基材の製造方法。
- 前記中間層スパッタ工程では、チタン又はジルコニウムからなる前記ターゲットをスパッタして前記チタン又は前記ジルコニウムからなる前記中間層膜原料物質を付着させ、
前記スパッタ工程では、前記チタン又は前記ジルコニウムであって、前記中間層スパッタ工程で用いた前記ターゲットと同じ前記金属からなる前記ターゲットをスパッタして前記チタン又は前記ジルコニウムからなる前記着色性薄膜原料物質を付着させることを特徴とする請求項1又は2記載の有色基材の製造方法。 - プラスチック樹脂からなる基体と、該基体の表面に形成された着色性薄膜と、該着色性薄膜と前記基体との間に形成された中間層と、からなる有色基材であって、
前記着色性薄膜及び前記中間層は、請求項1に記載の製造方法で形成されていることを特徴とする有色基材。 - 前記中間層の膜厚が200nm以上500nm以下の範囲内にあることを特徴とする請求項4記載の有色基材。
- 前記基体は、ポリカーボネート,ポリエチレンテレフタレート,ポリブチレンテレフタレート,アクリルニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体,ナイロン,ポリブチレンテレフタレート,ポリカーボネート−ポリエチレンテレフタレート共重合体,ポリカーボネート−ポリブチレンテレフタレート共重合体,アクリル,ポリスチレン,ポリエチレンおよびポリプロピレンからなる群から選択される1または2種類以上の樹脂材料、もしくはこれらの材料とガラス繊維および/またはカーボン繊維との混合物で形成されることを特徴とする請求項4又は5記載の有色基材。
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