JP5764171B2 - 導電性薄膜 - Google Patents
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Description
本発明に係る導電性薄膜は、基材の表面に被覆される薄膜であり、Al,Mn,Nからなる窒化アルミニウム(AlN)を基とする導電性薄膜である。その組成は、原子濃度で、Mnは2at%以上25at%以下、Nは10at%以上50at%未満、Alは残部であり、さらに、Mn,Nの各含有量(at%)を、[Mn]、[N]として表したとき、[N]、[Mn]が、次式(1)を満足することを特徴とする。
10/15×[Mn]+50/15<[N]<20/18×[Mn]+500/18 ・・・式(1)
これらの構成は、後記する導電性薄膜の製造方法において制御可能である。以下、本発明に係る導電性薄膜を構成する各要素について説明する。
Al(アルミニウム)は、電気抵抗率2.65×10-6Ωcmの良導体であり、電極材料としても適用される金属である。Alは延性が高く柔らかいため、単独ではコーティング材料としての硬さは得られない。また、色調は不透明であるが、反射率92%で金属光沢を有する銀白色の反射体である。一方で、AlはNと結合して、本発明に係る導電性薄膜の基であるAlN(窒化アルミニウム)を形成する。AlNは、セラミックスの一種であり、コーティング材料として十分な硬さを有する。しかし、AlNは、電気抵抗率1014Ωcmを超える絶縁体であり、また、透過率70%以上の無色透明な材料であるため、AlN単独のコーティングでは基材の色調がそのまま視認されてしまう。本発明に係る導電性薄膜においては、窒化されていないAlが、AlNの中に微細に分散して存在することで、AlNを基とする薄膜に導電性を付与する。導電性薄膜において、この窒化されていないAlの構成比はN含有量によって変化し、Alが多くなると、導電性薄膜は、導電性が向上するが、硬さが低下し、また反射率が高くなる。
Mn(マンガン)は、電気抵抗率1.44×10-4Ωcmの導体で、単体では銀色であるが、AlN中に微細に分散することで、AlNを基とする本発明に係る導電性薄膜を黒く着色し、さらに導電性を付与する。これらの効果を得るため、Mn含有量は2at%以上とする。導電性薄膜においては、Mnは、単体マンガン、または同じく導体である窒化マンガン(Mn3N4,Mn4N,Mn2N,Mn3N2:MnNと表す)として微細粒状で存在したり、一部はAlに固溶して存在する。Mn含有量が多くなると、導電性薄膜は、透過率および反射率が共に低くなって色調がより黒みを帯び、また導電性が向上する。一方、Mn含有量が過剰になると、粗大なMnまたはMnNが析出して、導電性薄膜が脆くなるため、Mn含有量は25at%以下とする。
N(窒素)は、本発明に係る導電性薄膜において窒化物、特にAlNを形成するための元素である。したがって、導電性薄膜が十分な硬さとなるAlNを形成するため、N含有量は10at%以上とし、さらに後記に示すようにMn含有量に比した規定含有量を超えるようにする。N含有量が多くなるとAlNが多くなり、導電性薄膜は、硬さが向上するが透過率が高くなる。さらに、N含有量がMn含有量に比して多いと、導電性薄膜は導電性が低下するため、同じくMn含有量に比した規定含有量未満とする。また、50at%以上のNをAl,Mnと結合させることはできない。
[N]>10/15×[Mn]+50/15 ・・・式(2)
式(2)を満足する量のNは、導電性薄膜が十分な硬さを得るためのAlNを形成できる。さらに、Mn含有量が本発明の範囲内で多い場合、N含有量が式(2)を満足しないと、Mnの金属光沢により、導電性薄膜の反射率が増大する。
また、本発明に係る導電性薄膜の組成は、N含有量が、次式(3)に示すようにMn含有量の所定比未満となるものとする。
[N]<20/18×[Mn]+500/18 ・・・式(3)
式(3)を満足する量のNは、AlNを導電性薄膜が十分な導電性を維持できる量に抑制できる。N含有量が式(3)を満足しないとAlNが過剰になり、導電性薄膜は、導電性が低下し、透過率が高くなる。
式(2)、(3)より、式(1)が導かれる。
10/15×[Mn]+50/15<[N]<20/18×[Mn]+500/18 ・・・式(1)
以上のような本発明の範囲内におけるAl,Mn,Nの組成により、Mn,MnNの少なくとも一種、または、さらにAlが所望の構成比でAlN中に分散されて存在する導電性薄膜が得られる。そして、これらの構成比により、導電性薄膜は、その光学特性、導電性、機械的特性をそれぞれ以下の範囲内で変化させることができる。
本発明に係る導電性薄膜は、公知のPVD法により形成することができる。ターゲットとして、任意の組成のAl−Mn合金を用いることで、導電性薄膜のAl,Mn含有量を制御できる。あるいは、AlターゲットとMnターゲットとを同時に用いてもよい。さらに、PVD雰囲気として、不活性ガス(Ar等の希ガス)に窒素(N2)を混合することにより窒化物を成膜することができる。PVD雰囲気のN2濃度が10%程度以上で、すべてのAl,Mnは窒化されて、AlNとMnNのみで構成された導電性薄膜となる。N2濃度10%未満の範囲でPVD雰囲気のN2分圧を制御することで、窒化されていないAl,Mnを含む導電性薄膜を成膜することができる。PVD法で成膜されることにより、薄膜のAl,Mn,Nの組成が制御され、その結果、AlNを基として、その中に微細なAl,Mn,MnNが分散されて所望の構成比で存在する導電性薄膜が形成される。また、予め成膜レートを測定しておき、処理時間(放電時間)を調整することで、導電性薄膜の膜厚を制御できる。
Claims (6)
- 波長550nmの可視光の反射率が50%以下で、基材表面に被覆して形成される窒化アルミニウムを基とする導電性薄膜であって、
Mnを2at%以上25at%以下、Nを10at%以上50at%未満含有し、前記Mn,Nの各含有量(at%:原子濃度)を、[Mn]、[N]として表したとき、10/15×[Mn]+50/15<[N]<20/18×[Mn]+500/18を満足することを特徴とする導電性薄膜。 - 請求項1に記載の導電性薄膜であって、
当該導電性薄膜の膜厚が30〜10000nmであることを特徴とする導電性薄膜。 - 請求項1または請求項2に記載の導電性薄膜であって、
当該導電性薄膜の、波長550nmの可視光の透過率が20%以下であることを特微とする導電性薄膜。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の導電性薄膜であって、
当該導電性薄膜の電気抵抗率が、10-4〜105Ωcmであることを特徴とする導電性薄膜。 - 請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の導電性薄膜であって、
当該導電性薄膜の硬さが5GPa以上であることを特徴とする導電性薄膜。 - アルミニウムとマンガンからなる蒸着源と、希ガスに窒素を混合した雰囲気ガスとを用いて、物理蒸着法により前記基材表面に形成されたものであることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の導電性薄膜。
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