JPH0776090B2 - Method for manufacturing zirconia thin film - Google Patents

Method for manufacturing zirconia thin film

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JPH0776090B2
JPH0776090B2 JP1174437A JP17443789A JPH0776090B2 JP H0776090 B2 JPH0776090 B2 JP H0776090B2 JP 1174437 A JP1174437 A JP 1174437A JP 17443789 A JP17443789 A JP 17443789A JP H0776090 B2 JPH0776090 B2 JP H0776090B2
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敏夫 大村
邦明 小林
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株式会社ライムズ
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、ジルコニア薄膜の製造方法に関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a zirconia thin film.

[従来の技術と課題] 周知の如く、ジルコニアは融点が高く高温材料として利
用されているが、純粋なジルコニアでは約1000℃で低温
型の単斜晶から正方晶への移転が起こり、この転位の際
の体積変化から破壊が起こる。そのため、イットリウム
(Y)やカルシウム(Ca)等を添加して高温相の立方晶
を広い温度域で安定化した安定化ジルコニアあるいは部
分安定化ジルコニアとして用いられている。
[Prior Art and Problems] As is well known, zirconia has a high melting point and is used as a high temperature material. However, pure zirconia causes a transition from a low temperature type monoclinic crystal to a tetragonal crystal at about 1000 ° C. Destruction occurs due to the change in volume. Therefore, it is used as stabilized zirconia or partially stabilized zirconia in which yttrium (Y), calcium (Ca), etc. are added to stabilize the cubic crystal of the high temperature phase in a wide temperature range.

ところで、ジルコニアを薄膜化する場合でも、高温で使
用する用途の物については安定化剤が添加される。薄膜
化技術の一つである気相化学反応法(CVD)によりジル
コニア薄膜を作成する場合には、一般にはジルコニウム
及び安定化剤のハロゲン化物を原料とした反応が用いら
れているが、この反応では反応温度として約1000℃の高
温を要する。また、反応副生成物として腐食性ガスが生
成し装置や基板を腐食するという問題がある。
By the way, even in the case of forming a thin film of zirconia, a stabilizer is added to an object for use at high temperature. When making a zirconia thin film by vapor phase chemical reaction (CVD), which is one of the thinning techniques, a reaction using zirconium and a halide of a stabilizer as a raw material is generally used. Then, a high temperature of about 1000 ° C is required as the reaction temperature. Further, there is a problem that corrosive gas is generated as a reaction by-product and corrodes the apparatus and the substrate.

このようなことから、低温で分解でき、かつ腐食性ガス
の生成しない有機系ジルコニウム化合物及び安定化剤の
有機系化合物を用いたCVDが試みられている。こうした
有機系化合物としては、アセチルアセトン錯体に代表さ
れるβ−ジケトン錯体といわれる化合物群が用いられて
いる。また、その他の有機系化合物としては、ジルコニ
ウムのアルコキシドが用いられている(Journal of Cry
stal Crows 74巻409頁1986年)。
Under these circumstances, CVD using an organic zirconium compound that can be decomposed at a low temperature and does not generate a corrosive gas and an organic compound that is a stabilizer has been attempted. As such an organic compound, a group of compounds called β-diketone complex represented by acetylacetone complex is used. In addition, zirconium alkoxides are used as other organic compounds (Journal of Cry
stal Crows 74 vol. 409 p. 1986).

しかし、こうしたジルコニア有機化合物を用いた研究が
行なわれているが、これらの研究ではすべての安定化剤
を添加した安定化ジルコニア膜を目的とした物である。
しかるに、安定化剤の原料となるYやCaの有機系化合物
には蒸気圧の高いものが少なく気相化学蒸着に用いる場
合に気化させるのに特別の工夫が必要となる。
However, although studies using such zirconia organic compounds have been conducted, these studies are aimed at a stabilized zirconia film to which all stabilizers are added.
However, there are few organic compounds such as Y and Ca having a high vapor pressure, which are raw materials for the stabilizer, and a special device is required to vaporize them when they are used for vapor phase chemical vapor deposition.

また、ジルコニアを含めた酸化物薄膜の気相化学析出で
は、基板としてのシリコンなどの単結晶や石英等が用い
られている。金属基板を用いた場合には、金属と酸化物
の熱膨張係数の差が大きいため、作成した膜の内部応力
により膜が剥離してしまう恐れがある。
Further, in vapor phase chemical deposition of oxide thin films including zirconia, a single crystal such as silicon or quartz as a substrate is used. When a metal substrate is used, the difference in thermal expansion coefficient between the metal and the oxide is large, and therefore the film may peel off due to internal stress of the formed film.

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、広い温度域
で安定で、しかも金属基板上に密着性よく形成しえるジ
ルコニア薄膜及びその製造方法を提供することを目的と
する。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a zirconia thin film which is stable in a wide temperature range and can be formed on a metal substrate with good adhesion, and a method for producing the same.

[課題を解決するための手段] 本願発明は、安定化剤を添加しない立方晶ジルコニア薄
膜を500℃以上で熱処理することにより単斜晶ジルコニ
アを製造することを特徴とするジルコニア薄膜の製造方
法である。
[Means for Solving the Problems] The present invention is a method for producing a zirconia thin film, which comprises producing a monoclinic zirconia by heat-treating a cubic zirconia thin film to which a stabilizer is not added at 500 ° C. or higher. is there.

この発明で、熱処理温度を500℃以上とするのは、500℃
未満では単斜晶への転位が起こらないか、あるいは転位
が起きたとしてもその速度は非常に遅く実際的ではない
からである。
In this invention, the heat treatment temperature of 500 ° C or higher is 500 ° C.
If it is less than 1, the dislocation to monoclinic crystal does not occur, or even if the dislocation occurs, the speed is very slow and not practical.

また、ジルコニウムのアルコキシドを原料として化学気
相成長析出法において500℃以下で分解することによ
り、ジルコニア薄膜が製造できる。
Further, a zirconia thin film can be produced by decomposing the alkoxide of zirconium as a raw material at a temperature of 500 ° C. or lower in a chemical vapor deposition method.

前記ジルコニウムのアルコキシドとしては、例えばジル
コニウムエトキシド、ジルコニウムイソプロキシド、ジ
ルコニウムターシャリブトキシド等が挙げられるが、化
学気相析出法に用いる場合には蒸気圧が高いジルコニウ
ムターシャリブトキシドが好ましい。ここに、ジルコニ
ウムターシャリブトキシドを用いた場合には約250℃か
ら分解反応が起こるが、500℃以上の温度では安定相の
単斜晶あるいは正方晶のジルコニアが生成し好ましくな
い。
Examples of the zirconium alkoxide include zirconium ethoxide, zirconium isoproxide, and zirconium tert-butoxide. When used in the chemical vapor deposition method, zirconium tert-butoxide having a high vapor pressure is preferable. When zirconium tertiary oxide is used here, the decomposition reaction occurs from about 250 ° C., but at temperatures of 500 ° C. or higher, stable phase monoclinic or tetragonal zirconia is formed, which is not preferable.

前記ジルコニウムターシャリブトキシドのアルコキシド
の分解反応についてはこの化合物単独での熱分解反応、
あるいはこの原料に酸素等の酸化剤を添加した条件での
酸化分解反応、もしくは水蒸気を添加した加水分解等が
含まれる。
Regarding the decomposition reaction of the alkoxide of zirconium tert-butoxide, the thermal decomposition reaction of this compound alone,
Alternatively, oxidative decomposition reaction under the condition that an oxidizing agent such as oxygen is added to this raw material, or hydrolysis by adding steam is included.

化学気相析出法により上記ジルコニムのアルコキシドを
原料とした場合に混合されるガスとしては、窒素、アル
ゴン、ヘリウム等の不活性気体、水素等の還元性気体、
酸素、二酸化炭素、あるいは水蒸気等の酸化性気体等の
単独あるいは混合ガスが用いられる。
As a gas mixed when the alkoxide of zirconium is used as a raw material by the chemical vapor deposition method, nitrogen, argon, an inert gas such as helium, a reducing gas such as hydrogen,
Oxygen, carbon dioxide, an oxidizing gas such as steam, or a mixed gas is used.

化学気相析出法により上記反応を行う場合の圧力として
は、常圧あるいは減圧条件が用いられる。
As the pressure when the above reaction is performed by the chemical vapor deposition method, normal pressure or reduced pressure conditions are used.

化学気相析出法により上記ジルコニア薄膜を作成する場
合の基板としては、セラミックスの焼結体、シリコン等
の単結晶、ガラス等のアモルファス材料、及びステンレ
ス鋼等の金属が挙げられる。
Examples of the substrate for forming the zirconia thin film by the chemical vapor deposition method include a ceramic sintered body, a single crystal such as silicon, an amorphous material such as glass, and a metal such as stainless steel.

[作用] 本願発明によるジルコニア薄膜はベースとなる立方晶ジ
ルコニア薄膜が安定化剤を添加しないため、温度の上昇
により単斜晶、正方晶、及び立方晶への転位が生じる
が、その際の体積変化による膜の破壊が生じない。これ
は、化学気相析出法により作成した膜の構造が焼結体と
は異なり、相転位の際の応力が膜の内部に働かないため
と思われる。このことは、熱膨張係数がジルコニアと大
きく異なる金属を基板とした場合にも膜の剥離が起き
ず、金属材料の表面改質としての実用面での価値が大き
い事を意味する。
[Function] In the zirconia thin film according to the present invention, the cubic zirconia thin film serving as a base does not contain a stabilizer, and therefore, a monoclinic crystal, a tetragonal crystal, and a dislocation to a cubic crystal occur due to an increase in temperature. The film does not break due to changes. This is considered to be because the structure of the film formed by the chemical vapor deposition method is different from that of the sintered body, and the stress at the phase transition does not work inside the film. This means that the film is not peeled off even when a metal whose coefficient of thermal expansion is largely different from that of zirconia is used as the substrate, and has great practical value as a surface modification of the metal material.

[実施例] 以下、本発明の一実施例について説明する。[Example] An example of the present invention will be described below.

まず、本発明方法に用いられる製膜装置について第1図
を参照して説明する。
First, the film forming apparatus used in the method of the present invention will be described with reference to FIG.

図中の1は、反応容器である。この反応容器1内にはヒ
ータ2を内臓したサセプタ3が配置されている。このサ
セプタ3は、図中矢印Xの如く回転するようになってい
る。前記サセプタ3上には、複数の基板4が後記ノズル
の直下に載置されている。前記基板4は、所定の温度に
加熱される。
In the figure, 1 is a reaction vessel. A susceptor 3 including a heater 2 is arranged in the reaction container 1. The susceptor 3 is adapted to rotate as indicated by an arrow X in the figure. A plurality of substrates 4 are placed on the susceptor 3 directly below nozzles described later. The substrate 4 is heated to a predetermined temperature.

前記反応容器1の上部にはノズル4が取付けられ、この
ノズル4にはマスフローコントローラ6aを取付けた第1
配管7aとマスフローコントローラ6b,バルブ8aを取付け
た第2配管7bが第3配管7cを介して連通されている。前
記マスフローコントローラ6bの下流側の第2配管7bのバ
イパス配管9には、バルブ8b,8cを介してジルコニウム
ターシャリブトキシドを収容した気化器10が設けられて
いる。この気化器10は、恒温槽11により例えば90℃に保
たれる。
A nozzle 4 is attached to the upper part of the reaction vessel 1, and a mass flow controller 6a is attached to the nozzle 4.
The pipe 7a, the mass flow controller 6b, and the second pipe 7b to which the valve 8a is attached are connected via the third pipe 7c. The bypass pipe 9 of the second pipe 7b on the downstream side of the mass flow controller 6b is provided with a carburetor 10 containing zirconium tert-butoxide through valves 8b and 8c. The vaporizer 10 is kept at, for example, 90 ° C. by the constant temperature bath 11.

前記反応容器1の排気孔12には、排気ライン13を介して
真空ポンプ14が連通している。この真空ポンプ14により
反応ガスが排気される。ここに、排気ライン13の途中で
排気ガスに窒素を混合することにより、排気速度を調整
し、反応容器1内の圧力は一定圧力に保たれる。
A vacuum pump 14 communicates with the exhaust hole 12 of the reaction container 1 through an exhaust line 13. The reaction gas is exhausted by this vacuum pump 14. By mixing nitrogen with the exhaust gas in the middle of the exhaust line 13, the exhaust speed is adjusted and the pressure in the reaction vessel 1 is kept constant.

次に、上記製膜装置を用いた本発明方法について説明す
る。即ち、 まず、第2配管7bのバルブ8aを“閉”、バイパスライン
9のバイブ8b,8cを夫々“開”にする。次に、搬送ガス
としてのArガスがマスコントローラ6bにより毎分100cc
に調節し、気化器10へ供給する。一方、第1配管7aのマ
スフローコントローラ6aでは、Arガスを毎分5に調節
する。これにより、ジルコニウムターシャリブトキシド
の蒸気とアルゴンの混合ガスを、毎分5に調節された
Arガスにより更に希釈し、第3配管7c,ノズル5を介し
て反応容器1内に導入する。反応容器1内の基板4は、
例えば350℃に加熱する。ここに、基板4としては、例
えば20mm×20mm×2mmのサイズのコーニング7059ガラ
ス、SUS304、Mo及び鏡面研磨したSUS304を用いた。ま
た、反応容器1内の圧力は75Torrに保持した。
Next, the method of the present invention using the above film forming apparatus will be described. That is, first, the valve 8a of the second pipe 7b is "closed" and the vibrators 8b and 8c of the bypass line 9 are "opened". Next, Ar gas as carrier gas is 100cc per minute by the mass controller 6b.
And supply to the vaporizer 10. On the other hand, the mass flow controller 6a of the first pipe 7a adjusts the Ar gas to 5 per minute. As a result, the mixed gas of zirconium tert-butoxide vapor and argon was adjusted to 5 per minute.
It is further diluted with Ar gas and introduced into the reaction vessel 1 through the third pipe 7c and the nozzle 5. The substrate 4 in the reaction container 1 is
For example, heat to 350 ° C. Here, as the substrate 4, for example, Corning 7059 glass having a size of 20 mm × 20 mm × 2 mm, SUS304, Mo and mirror-polished SUS304 were used. The pressure inside the reaction vessel 1 was maintained at 75 Torr.

こうした条件下で1時間の成膜を行ったところ、各々の
基板には10〜20mgの白色の膜が析出したが、特に鏡面研
磨したSUS304上では透明な膜が得られた。X線回折の結
果、各々の基板上にの膜はすべて立方晶ジルコニアであ
る事が確認された。
When a film was formed under these conditions for 1 hour, a white film of 10 to 20 mg was deposited on each substrate, but a transparent film was obtained especially on mirror-polished SUS304. As a result of X-ray diffraction, it was confirmed that all the films on the respective substrates were cubic zirconia.

また、Moを基板としたサンプルについては、さらに裏面
に同様の被膜を形成し全面を被覆した後、環状炉により
空気中1300℃で3時間熱処理を行った。熱処理後のサン
プルには剥離は認められなかった。X線回折の結果、単
斜晶ジルコニアである事が確認された。このサンプルを
更に環状炉により1400℃で1時間、900℃で1時間の熱
サイクルを5回繰り返し室温に戻したが、膜の剥離が認
められなかった。
Further, for a sample using Mo as a substrate, a similar coating was further formed on the back surface to cover the entire surface, and then heat treatment was performed in an annular furnace at 1300 ° C. for 3 hours in the air. No peeling was observed in the sample after the heat treatment. As a result of X-ray diffraction, it was confirmed to be monoclinic zirconia. The sample was further cycled in a ring furnace at 1400 ° C. for 1 hour and 900 ° C. for 1 hour five times to return to room temperature, but no peeling of the film was observed.

[発明の効果] 以上詳述した如く本発明によれば、広い温度域で安定
で、しかも金属基板上に密着性よく形成でき、金属等の
耐熱保護膜や光学膜として利用可能なジルコニア薄膜を
製造する方法を提供できる。
[Effects of the Invention] As described in detail above, according to the present invention, a zirconia thin film that is stable in a wide temperature range and can be formed on a metal substrate with good adhesion and that can be used as a heat-resistant protective film of metal or an optical film is provided. A method of manufacturing can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明に用いられる成膜装置の説明図である。 1……反応容器、2……ヒータ、3……サセプタ、4…
…基板、5……ノズル、6a,6b……マスフローコントロ
ーラ、7a,7b,7c……配管、8a,8b,8c……バルブ、10……
気化器、11……恒温槽、12……排気孔、14……真空ポン
プ。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a film forming apparatus used in the present invention. 1 ... Reaction container, 2 ... Heater, 3 ... Susceptor, 4 ...
… Substrate, 5 …… Nozzle, 6a, 6b …… Mass flow controller, 7a, 7b, 7c …… Piping, 8a, 8b, 8c …… Valve, 10 ……
Vaporizer, 11 ... constant temperature bath, 12 ... exhaust hole, 14 ... vacuum pump.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】安定化剤を添加しない立方晶ジルコニア薄
膜を500℃以上で熱処理することにより単斜晶ジルコニ
アを製造することを特徴とするジルコニア薄膜の製造方
法。
1. A method for producing a zirconia thin film, which comprises producing a monoclinic zirconia by heat-treating a cubic zirconia thin film containing no stabilizer at 500 ° C. or higher.
JP1174437A 1989-07-06 1989-07-06 Method for manufacturing zirconia thin film Expired - Lifetime JPH0776090B2 (en)

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JPH0340920A JPH0340920A (en) 1991-02-21
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Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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堂山昌男外一名編梅田高照外三名著「材料のプロセス化学[▲I▼」(昭62−11−30)東京大学出版会P.144

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