JPH0523637A - Thin film forming method by sol-gel processing - Google Patents

Thin film forming method by sol-gel processing

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JPH0523637A
JPH0523637A JP3178353A JP17835391A JPH0523637A JP H0523637 A JPH0523637 A JP H0523637A JP 3178353 A JP3178353 A JP 3178353A JP 17835391 A JP17835391 A JP 17835391A JP H0523637 A JPH0523637 A JP H0523637A
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JP
Japan
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film
thin film
solution
substrate
sol
Prior art date
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Pending
Application number
JP3178353A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Sumio Hoshino
寿美夫 星野
Masumi Ito
真澄 伊藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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Publication of JPH0523637A publication Critical patent/JPH0523637A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To form a thin film by exposing at reduced pressure a hydrolysate solution formed by adding water, alcohol and acid to a metallic alkoxide for concentrating the solution to stick on a substrate to form a thin film. CONSTITUTION:As a metallic alkoxide, alkoxide of silicon, boron, titanium, germanium or aluminum is used. By this method, viscosity is increased without using a thickener, etc., so a thick film can be obtained.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【産業上の利用分野】本発明はゾルゲル法より薄膜を作
製する方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a thin film by the sol-gel method.

【0001】[0001]

【従来の技術】ゾルゲル法は、金属アルコキシドを水、
アルコール等を加えた溶液(以下、加水分解溶液とい
う)中で加水分解・重縮合反応を進ませて、多孔質体と
して固化させ、これを加熱することによりガラス体を得
る方法である。このゾルゲル法では、溶液状態を経由す
るため、溶液を使って広い基板全体にわたって均一なコ
ーティングを比較的容易に行うことができ、機械的、化
学的保護、光学特性などの新しい機能を持つ膜のコーテ
ィング法として有用である。
2. Description of the Related Art The sol-gel method uses metal alkoxides in water,
This is a method of obtaining a glass body by allowing a hydrolysis / polycondensation reaction to proceed in a solution to which alcohol or the like is added (hereinafter referred to as a hydrolysis solution) to solidify as a porous body and heating this. Since this sol-gel method goes through a solution state, uniform coating can be relatively easily performed over a wide substrate using a solution, and a film having new functions such as mechanical, chemical protection, and optical properties can be formed. It is useful as a coating method.

【0002】ゾルゲル法の一般的方法としては、例えば
「窯業協会誌」,90,(6),p.328〜332
(1982年)に示されているように、エチルシリケー
ト、チタンイソプロポキシドとエタノール、水−触媒と
してはHClを加えて攪拌し、加水分解溶液(コーティ
ング液)を調製する。コーティングを施す基板をこの溶
液に浸漬し、一定速度で引き上げることにより該基板表
面に膜を形成させ、乾燥、加熱工程を経てガラス膜を作
製するものである。
As a general method of the sol-gel method, for example, “Journal of Ceramic Industry”, 90 , (6), p. 328-332
(1982), ethyl silicate, titanium isopropoxide and ethanol, and water-HCl as a catalyst are added and stirred to prepare a hydrolysis solution (coating solution). The substrate to be coated is dipped in this solution and pulled up at a constant rate to form a film on the surface of the substrate, and a glass film is produced through drying and heating steps.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】従来、この種のゾルゲ
ル法では膜厚0.1〜0.3μmの透明均一なコーティ
ング膜が得られているが、膜厚をこれ以上厚くすること
を試みると、クラックの発生、白いくもり、基板からの
剥離等の欠陥が生じる。膜厚を厚くするため増粘剤とし
てグリセリン、エチルエーテルを加える方法において
も、せいぜい0.5μmまでが限界である。本発明はゾ
ルゲル法により従来よりも厚い膜を形成可能とする新規
な作製方法を提案することを課題としてなされたもので
ある。
Conventionally, a transparent and uniform coating film having a film thickness of 0.1 to 0.3 .mu.m has been obtained by this type of sol-gel method, but if the film thickness is further increased, it is attempted. Defects such as crack generation, white clouding, and peeling from the substrate occur. Even in the method of adding glycerin or ethyl ether as a thickener to increase the film thickness, the limit is at most 0.5 μm. The present invention has been made with the object of proposing a novel manufacturing method capable of forming a film thicker than before by the sol-gel method.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明者等は従来よりも
厚膜で均一なコーティング膜を得る方法を種々検討の結
果、加水分解溶液を減圧して揮発成分を取り除くことで
該溶液を濃縮してから基板にコーティングすることが非
常に有効であることを見出し、本発明に至った。すなわ
ち、本発明は金属アルコキシドに水、アルコール、酸を
加えることにより得られる加水分解溶液を基板上に付着
せしめて薄膜を作製する方法において、該加水分解溶液
を減圧下に保つことにより濃縮した後、基板上に付着せ
しめることを特徴とする。本発明における特に好ましい
実施態様としては、上記金属アルコキシドがシリコン、
ボロン、チタン、ゲルマニウムまたはアルミニウムのア
ルコキシドであることを挙げられる。
As a result of various studies on the method for obtaining a thicker and more uniform coating film than the conventional one, the present inventors have concentrated the solution by depressurizing the hydrolysis solution to remove volatile components. Then, they found that coating the substrate was very effective, and arrived at the present invention. That is, the present invention is a method of depositing a hydrolysis solution obtained by adding water, alcohol, and acid to a metal alkoxide to form a thin film on a substrate, after concentrating the hydrolysis solution by keeping it under reduced pressure. It is characterized in that it is attached to the substrate. In a particularly preferred embodiment of the present invention, the metal alkoxide is silicon,
It may be an alkoxide of boron, titanium, germanium or aluminum.

【0005】[0005]

【作用】本発明者等は、従来法で膜を厚くできない原因
を次のように考えた。すなわち、膜を基板に付着せしめ
る方法として回転中の基板に加水分解溶液を滴下するス
ピンコーティング法と、加水分解溶液中に基板を浸して
一定速度で引き上げるディッピング法とがあるが、いず
れの方法においても、加水分解溶液の粘度が大きいほど
厚い膜をコーティングすることができる。そのために加
水分解溶液に有機高分子などの増粘剤を加える方法が用
いられてきたが、この方法ではコーティング後、加熱す
る際に有機高分子が分解して膜内部から蒸発するため
に、膜の収縮が大きくなり、膜にクラックが入りやす
い。粘度を上げる方法としては他に、金属アルコキシド
に加えるアルコールの量を減少させる方法もあるが、こ
の方法には限界がある。アルコールを減少させると、金
属アルコキシドと水が分離してしまい、加水分解反応が
進行しない。これに対し、本発明によれば、金属アルコ
キシドに加えるアルコキシドの量を減少させなくとも、
加水分解後に減圧下に溶液を保持することで、揮発しや
すいアルコール等の成分が取り除かれ、加水分解溶液を
濃縮することができ、結果的に粘度を上げることが可能
となる。また、このように加水分解溶液中のアルコール
量をコーティングする前に減少させることができるの
で、コーティング後、膜から取り除かなくてはならない
アルコールの量も少ない。膜にクラックが入ったり、基
板から剥離するのは、膜内部の溶媒(アルコール)が蒸
発することが原因であると考えられるので、結果的に加
水分解溶液を減圧して濃縮する本発明の手法がクラッ
ク、剥離防止にも効果がある。
The present inventors considered the reason why the film cannot be thickened by the conventional method as follows. That is, as a method for attaching a film to a substrate, there are a spin coating method in which a hydrolysis solution is dropped on a rotating substrate and a dipping method in which the substrate is immersed in the hydrolysis solution and pulled up at a constant speed. Also, the thicker the hydrolysis solution, the thicker the film can be coated. For that purpose, a method of adding a thickener such as an organic polymer to the hydrolysis solution has been used, but in this method, the organic polymer decomposes and evaporates from the inside of the film when heated after coating, so Shrinkage increases and the film is likely to crack. Another method of increasing the viscosity is to reduce the amount of alcohol added to the metal alkoxide, but this method has its limitations. When the amount of alcohol is reduced, the metal alkoxide and water are separated and the hydrolysis reaction does not proceed. On the other hand, according to the present invention, without reducing the amount of alkoxide added to the metal alkoxide,
By holding the solution under reduced pressure after hydrolysis, components such as alcohol that are likely to volatilize are removed, the hydrolysis solution can be concentrated, and as a result, the viscosity can be increased. Also, since the amount of alcohol in the hydrolyzed solution can be reduced in this way before coating, the amount of alcohol that must be removed from the membrane after coating is also small. The cracks in the film and the peeling from the substrate are considered to be due to the evaporation of the solvent (alcohol) inside the film, and as a result, the method of the present invention in which the hydrolysis solution is depressurized and concentrated. However, it is also effective in preventing cracks and peeling.

【0006】本発明において、加水分解溶液を減圧する
程度は、10〜500Torrで、時間は10分から1
時間程度で良く、その結果粘度は約0.1〜10ポイズ
となる。0.1ポイズ未満では膜は得られるが従来の方
法で作製した薄膜と同じ程度の厚さであり、10ポイズ
を超えると、加水分解後の縮重合反応が進行するため
に、溶液中に粒子が形成され、コーティング後、膜が均
一にならない。本発明の加水分解溶液の原料とする金属
アルコキシドとしては、例えばシリコン、チタン、ゲル
マニウム、アルミニウムまたはボロンのメトキシド、エ
トキシドまたはプロポキシド等を挙げることができ、金
属アルコキシドは1種以上を用いることができる。本発
明の加水分解溶液に用いるアルコールとしては、例えば
メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ブ
タノール等のアルコールを使用できるが、これらに限定
されるものではない。更に本発明の加水分解溶液には、
加水分解を促進する触媒としては酸、例えば塩酸、硝
酸、硫酸、リン酸等を用いることができる。アルコール
と水の割合はモル比で0.5〜5倍程度、加水分解溶液
中に加える金属アルコキシドは水に対してモル比で2〜
5倍、触媒としての酸はpHは1〜5程度となる量が一
般的である。本発明に用いる基板の材質としては特に限
定されるところはなく、ガラスの他に金属あるいはプラ
スチック等も用いることができる。加水分解溶液を基板
上に付着する手段としては、この種の技術分野で通常行
われるいずれの手法によってもよいが、例えばスピンコ
ート法、ディッピング法等を挙げることができる。減圧
の程度と時間時間を調整して粘度を制御することによ
り、付着量を増減できて膜厚を制御できる。基板上に付
着させた後は、公知の技術により乾燥、固化させて、膜
を得る。具体的条件の例は下記の実施例に示す。
In the present invention, the degree of pressure reduction of the hydrolysis solution is 10 to 500 Torr, and the time is 10 minutes to 1
It only takes about a time, resulting in a viscosity of about 0.1-10 poise. If it is less than 0.1 poise, a film can be obtained, but it is as thick as a thin film prepared by a conventional method, and if it exceeds 10 poise, the polycondensation reaction after hydrolysis proceeds, so that the particles in the solution are Formed and the film is not uniform after coating. Examples of the metal alkoxide used as the raw material of the hydrolysis solution of the present invention include silicon, titanium, germanium, aluminum or boron methoxide, ethoxide, propoxide, and the like, and one or more metal alkoxides can be used. . As the alcohol used in the hydrolysis solution of the present invention, for example, alcohols such as methanol, ethanol, isopropyl alcohol and butanol can be used, but the alcohol is not limited to these. Further, in the hydrolysis solution of the present invention,
An acid such as hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid or phosphoric acid can be used as a catalyst for promoting hydrolysis. The molar ratio of alcohol and water is about 0.5 to 5 times, and the metal alkoxide added to the hydrolysis solution is 2 to 5 in molar ratio to water.
The amount of the acid used as the catalyst is 5 times, and the pH is generally about 1 to 5. The material of the substrate used in the present invention is not particularly limited, and metal, plastic, or the like can be used in addition to glass. The means for depositing the hydrolyzed solution on the substrate may be any of the methods commonly used in this type of technical field, and examples thereof include a spin coating method and a dipping method. By controlling the viscosity by adjusting the degree of pressure reduction and the time period, the amount of adhesion can be increased or decreased and the film thickness can be controlled. After being attached on the substrate, it is dried and solidified by a known technique to obtain a film. Examples of specific conditions are shown in the examples below.

【0007】[0007]

【実施例】以下に本発明を実施例を挙げて説明するが、
本発明はこれに限定されるものではない。 実施例1 シリコンエトキシド50ml、エタノール40ml、1
N塩酸20mlをビーカーに入れ、約30分間攪拌して
加水分解溶液を得た。この加水分解溶液を10Torrの圧
力下に15分間保持して濃縮した。濃縮加水分解溶液の
粘度は4ポイズであった。次にこの濃縮加水分解溶液を
石英基板上にスピンコートすることにより膜を形成し
た。この膜を100℃で48時間保って乾燥した後、徐
々に1000℃まで昇温してガラス化した。得られたガ
ラス膜は厚さ1.5μmで透明均質であることを確認し
た。
EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples.
The present invention is not limited to this. Example 1 Silicon ethoxide 50 ml, ethanol 40 ml, 1
20 ml of N hydrochloric acid was placed in a beaker and stirred for about 30 minutes to obtain a hydrolysis solution. The hydrolyzed solution was kept under a pressure of 10 Torr for 15 minutes to be concentrated. The viscosity of the concentrated hydrolyzed solution was 4 poise. Next, this concentrated hydrolyzed solution was spin-coated on a quartz substrate to form a film. This film was dried by keeping it at 100 ° C. for 48 hours and then gradually heated to 1000 ° C. to be vitrified. It was confirmed that the obtained glass film had a thickness of 1.5 μm and was transparent and homogeneous.

【0008】比較例1 実施例1の加水分解溶液を濃縮せずそのままスピンコー
トして同様にガラス化したところ、膜厚は0.3μmで
あった。この時加水分解溶液の粘度は0.05ポイズで
あった。 実施例2 シリコンエトキシド50ml、チタンイソプロポキシド
1ml、1N塩酸20mlをビーカーに入れ、約30分
間攪拌して加水分解溶液を得た。たの加水分解溶液を1
00Torrの圧力下に20分間保持して濃縮した。そ
の時、濃縮加水分解溶液の粘度は3ポイズであった。次
にこの濃縮加水分解溶液に石英基板を浸し、100mm
/分の速度で引き上げることにより該溶液をコーティン
グした(ディッピング)。その後実施例1と同様に熱処
理したところ、厚さ1.3μmの均質透明な膜が得られ
た。本発明の加水分解溶液に各種の機能性を有する元
素、化合物(非線形光学効果を有する化合物等)、半導
体等を添加することにより機能性を有する膜を形成でき
る。
Comparative Example 1 When the hydrolyzed solution of Example 1 was spin-coated as it was without concentrating and vitrified similarly, the film thickness was 0.3 μm. At this time, the viscosity of the hydrolyzed solution was 0.05 poise. Example 2 50 ml of silicon ethoxide, 1 ml of titanium isopropoxide and 20 ml of 1N hydrochloric acid were placed in a beaker and stirred for about 30 minutes to obtain a hydrolysis solution. 1 hydrolyzed hydrolysis solution
It was kept under a pressure of 00 Torr for 20 minutes to be concentrated. At that time, the viscosity of the concentrated hydrolyzed solution was 3 poise. Next, immerse the quartz substrate in this concentrated hydrolysis solution and
The solution was coated (dipping) by pulling up at a rate of / min. After that, when heat treatment was performed in the same manner as in Example 1, a homogeneous transparent film having a thickness of 1.3 μm was obtained. A functional film can be formed by adding various functional elements, compounds (compounds having a non-linear optical effect, etc.), semiconductors, etc. to the hydrolysis solution of the present invention.

【0009】[0009]

【発明の効果】以上説明したように、従来のゾルゲル法
では困難であった厚い膜の作製が、本発明によれば容易
に可能となるため、機械的、化学的、電磁気的な機能を
有するコーティング膜形成に用いると非常に効果的であ
る。
As described above, according to the present invention, it is possible to easily form a thick film, which has been difficult by the conventional sol-gel method, and thus it has mechanical, chemical and electromagnetic functions. It is very effective when used for forming a coating film.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 金属アルコキシドに水、アルコール、酸
を加えることにより得られる加水分解溶液を基板上に付
着せしめて薄膜を作製する方法において、該加水分解溶
液を減圧下に保つことにより濃縮した後、基板上に付着
せしめることを特徴とする薄膜の作製方法。
1. A method for producing a thin film by adhering a hydrolysis solution obtained by adding water, alcohol, and acid to a metal alkoxide to form a thin film, after the hydrolysis solution is concentrated under reduced pressure. A method for producing a thin film, which comprises depositing on a substrate.
【請求項2】 上記金属アルコキシドがシリコン、ボロ
ン、チタン、ゲルマニウムまたはアルミニウムのアルコ
キシドであることを特徴とする請求項1記載の薄膜の作
製方法。 【0001】
2. The method for producing a thin film according to claim 1, wherein the metal alkoxide is an alkoxide of silicon, boron, titanium, germanium or aluminum. [0001]
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