JPH1171681A - 高速アークプラズマ成膜による保護皮膜 - Google Patents

高速アークプラズマ成膜による保護皮膜

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JPH1171681A
JPH1171681A JP10179480A JP17948098A JPH1171681A JP H1171681 A JPH1171681 A JP H1171681A JP 10179480 A JP10179480 A JP 10179480A JP 17948098 A JP17948098 A JP 17948098A JP H1171681 A JPH1171681 A JP H1171681A
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    • C23C16/513—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using plasma jets

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガラス、金属及びプラスチック基体上での
付着性金属酸化物皮膜の高速成膜法の提供。 【解決手段】 プラズマ成膜法により基体表面に付着性
皮膜を堆積するに当たり、直流アークプラズマ発生器に
より酸素含有プラズマガスを形成し、プラズマ発生器外
部のプラズマ中に反応体ガスを注入し、プラズマによっ
て酸素及び反応体ガスから形成された反応性化学種が基
体の表面と付着性皮膜を生じるのに十分な時間にわたっ
て接触するように、真空チャンバー内部に配置された基
体に向かってプラズマ発生器から真空チャンバー内へと
延びた末広ノズルインジェクターによりプラズマを真空
チャンバー中に方向付ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガラス、金属及び
プラスチックのような各種の基体上での保護皮膜もしく
は薄膜の成膜に関する。より具体的には、シート、フィ
ルム及び賦形品のようなプラスチック表面上の付着性保
護皮膜に関する。耐摩耗性でプラスチック基体を放射線
損傷から保護する皮膜が本明細書に開示する発明により
提供される。保護皮膜とは摩耗及び紫外線（ＵＶ）分解
に対する保護を提供するとともに赤外線（ＩＲ）を反射
するような堆積物の１又はそれ以上の層を意味する。
【０００２】
【従来の技術】薄膜の技術的重要性のため様々な成膜法
が開発されてきた。化学気相成長法（ＣＶＤ）は、所望
の膜成分を含む気体状試薬の熱活性化及び表面反応によ
って基体表面に固体膜を生じる。反応体を熱分解するの
に必要なエネルギーは基体を加熱することによって供給
される。妥当な反応速度を得るため、基体は約５００〜
２０００°Ｆの範囲の比較的高温に加熱される。このよ
うな温度のため熱に弱い基体材料にはこのプロセスを適
用することができない。
【０００３】プラズマエンハンスト化学気相成長法（Ｐ
ＥＣＶＤ）は反応チャンバー内におけるプラズマ形成ガ
ス中での放電によって反応体にエネルギーを供給する。
一般に基体はプラズマに浸される。ポリカーボネート
は、その高い衝撃強さ、低密度、光学的透明性及び良好
な加工性のため、グレージング(glazing) 及び光学用途
に採用されることの多いエンジニアリング材料である。
しかしながら、ポリカーボネートは軟らかく、ガラス様
の耐摩耗性に欠け、約３００°Ｆを超える温度に弱い。
プラズマエンハンスト化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）でポ
リカーボネートの耐摩耗性を改善することができグレー
ジング用途に適したものとなることが以前の研究で示さ
れている。しかしながら、シランと一酸化二窒素を前駆
体として用いる従前のＰＥＣＶＤ技術は反応が遅く不経
済であり、その典型的な成膜速度は毎分０．０５ミクロ
ン程度にすぎなかった。その後プラズマ法耐摩耗性ポリ
マー皮膜用ＰＥＣＶＤに有機ケイ素前駆体が使われた
が、成膜速度はさほど改善されなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ガラス、金属及びプラ
スチック基体上での付着性金属酸化物皮膜の高速成膜法
を開発することが望まれる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】今回、ポリカーボネート
（ＰＣ）上に透明で耐候性の保護皮膜を形成するための
方法の開発に成功した。該皮膜は、基本的に化学量論比
の二酸化ケイ素或いは少量の炭素と水素を含むケイ素酸
化物系のものとすることができる。本明細書中で用いる
用語「ケイ素酸化物系」とは、ケイ素の酸化物を含んで
なる物質であって、少量の炭素と水素、当該物質の形成
に使用した有機ケイ素化合物由来の有機残基を含む物質
を意味する。該皮膜はポリカーボネート製品にガラス様
の耐摩耗性を与える。減圧下でプラズマアークトーチに
より発生したアルゴンプラズマ中に酸素及びヘキサメチ
ルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）のような有機ケイ素化合
物を注入することで毎分約２０ミクロンにものぼる速度
で皮膜が堆積した。本発明の実施に当たり、被覆すべき
表面は、プラズマにより発生した活性種が装置の成膜も
しくは被覆チャンバーを通過するときの活性種の経路上
に置かれる。
【０００６】ポリカーボネート基体表面は上記耐摩耗性
皮膜材料の堆積に先だってプライマー境界層で前処理す
ることもできる。本明細書中で用いる「基体」という用
語は、皮膜（連続した複数の皮膜の一つであってもよ
い）を形成する材料に対する基礎又は支持体として働く
シート又はフィルムのような構造体をいう。一般に、基
体は、薄膜とすることもできるが、皮膜の厚さに比べれ
ば相対的に厚い。
【０００７】本発明には、ポリカーボネートのようなプ
ラスチック上でのケイ素酸化物系の耐候性、耐摩耗性及
び放射線安定な保護皮膜の高速成膜法が包含される。
「高速」成膜という用語は、毎分約５ミクロンを上回る
速度での皮膜の堆積をいう。皮膜は光学的に透明で耐摩
耗性でなければならず、かつ赤外線もしくは紫外線防護
並びに付着性の改善のような他の機能的要件を満足して
もよい。コーティングプロセスは皮膜を堆積しようとす
るプラスチック基体又は紫外線吸収層のような中間機能
層の熱損傷限界値（概してガラス転移温度）よりも低い
温度で作業可能なものでなければならない。ガラス転移
温度（例えばポリカーボネート基体では約１３５℃）よ
りも少なくとも２０℃低い温度の基体で作業するのが好
ましい。
【０００８】本発明は、プラズマ成膜により基体表面に
付着性皮膜を堆積する方法であって、直流アークプラズ
マ発生器により酸素含有プラズマガスを形成し、プラズ
マ発生器外部のプラズマ中に反応体ガスを注入し、プラ
ズマによって酸素及び反応体ガスから形成された反応性
化学種が基体の表面と付着性皮膜を生じるのに十分な時
間にわたって接触するように、真空チャンバー内部に配
置された基体に向かってプラズマ発生器から真空チャン
バー内へと延びた末広ノズルインジェクターによりプラ
ズマを真空チャンバー中に方向付けることを含んでなる
方法を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】今回、アークプラズマトーチで発
生させたアルゴンの膨張熱プラズマを用いて、トーチか
らでてくるプラズマ中に有機ケイ素前駆体と酸素を注入
してターゲット表面上に減圧下でケイ素酸化物系皮膜を
堆積することにより、プラスチック上に耐摩耗性皮膜を
コーティングするプラズマ成膜法を開発した。約４〜８
ミクロンのシリコーンハードコートでプレコートしたポ
リカーボネートフィルム（１０ミル厚）及びシート
（０．１２５インチ厚）を、基体を直接冷却することな
く、本発明のプラズマ成膜法を用いてケイ素酸化物で被
覆した。基体に熱損傷を与えることなく、微小亀裂のな
い光学的に透明な皮膜が生成した。ケイ素酸化物皮膜が
複合材の耐摩耗性を大幅に改善することことがテーバー
摩耗試験で実証された。「複合材」という用語はケイ素
酸化物系耐摩耗皮膜の他に存在し得る別の機能性皮膜を
有する基体を意味する。
【００１０】本明細書で開示する皮膜の堆積には４ｍｍ
の円筒形内孔を有する水冷アークを使用した。アーク発
生器は少なくとも１つの電気的に絶縁された金属盤で３
本のトリア添加タングステン針状陽極から隔離された銅
陰極からなる。アルゴンを流しながら、電極にＤＣ電圧
を印加してプラズマを発生させる。プラズマは末広形又
はラッパ形ノズルインジェクターを通って真空ポンプで
減圧に保たれた成膜チャンバー内に広がる。ステンレス
鋼製ノズルインジェクターはアルゴンプラズマガス中に
反応性ガスを注入するための２又はそれ以上のシャワー
リングガス分配器を有する。ノズルインジェクターはＨ
ＭＤＳＯのような反応性気体有機ケイ素の凝縮を避ける
のに十分な温度（例えば約２００℃）に加熱される。基
体は陰極から１５〜７０ｃｍのワークディスタンスに設
置された金属ステージによってジェット軸上に載置され
る。基体のプラズマへの暴露を制御するために抜き差し
可能なシャッターを載置ステージとノズルインジェクタ
ーの間に挿入することができる。堆積コーティング用の
ポリカーボネート基体及びシリコーンハードコート被覆
ポリカーボネート基体は、イソプロピルアルコールで洗
浄し、揮発性夾雑物を除去するため約８０℃で真空乾燥
することによって準備できる。
【００１１】プラズマトーチの内孔又は中央チャネルは
円筒形である必要はない。内孔はトーチの放電端に近づ
くにつれて幅広となるような円錐形とすることもでき
る。典型的な成膜手順では、プラズマ源と基体の間に手
動又は自動制御式シャッターを挿入してアルゴンプラズ
マを確立する。次いで酸素をプラズマ中に導入して酸素
／アルゴンプラズマを発生させる。シャッターを抜いて
基体を酸素／アルゴンプラズマに短時間（３０秒以内）
暴露した後ＨＭＤＳＯのような有機ケイ素試薬をプラズ
マ中に導入してケイ素酸化物の堆積を約３〜３０秒間行
う。下記の表１に幾つかの成膜条件での成膜速度を示
す。概して、基体への熱負荷はアルゴン流速を下げるこ
と、陰極からのワークディスタンスを増大させること、
及びアーク電力を下げることによって減少させることが
できる。条件Ｇ７０では、シリコーンハードコート表面
層を有する厚さ０．１２５インチのポリカーボネートシ
ートに熱損傷を与えずに６０秒間の暴露ができる。条件
Ｇ７１では、厚さ１０ミルのポリカーボネートフィルム
に熱損傷を与えずに１５秒間の暴露ができる。
【００１２】
【表１】
【００１３】表２は、本明細書に開示した方法で成膜し
たケイ素酸化物系皮膜を有するポリカーボネートとかか
る皮膜を有さないポリカーボネートとの２種類のサンプ
ル（厚さ０．１２５インチ）の耐摩耗性をコーティング
していないガラス板の耐摩耗性と比較したものである。
ヘーズは、テレダイン−テーバー５１５０摩耗試験機
（２つのＣＳ１０Ｆ摩耗輪、各５００ｇ）でサンプルを
所定サイクル数摩耗したときの前後にＰａｃｉｆｉｃ
Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ＸＬ−８３５比色計を用いて測
定した。１．３μｍのケイ素酸化物皮膜をもつサンプル
の示す基本的にガラス様の耐摩耗性に注目されたい。比
色計は使用前に開放パス（固体試料なし）で零点調整し
た。０サイクル（テーバー摩耗前）での負の計測値は検
量手順のアーティファクトである。
【００１４】
【表２】
【００１５】本発明のウォールスタビライズド(wall-st
abilized) プラズマアークシステムを用いることでプラ
スチック樹脂基体（例えばポリカーボネート）への連続
漸変又は不連続漸変透明皮膜の高速での成膜をなし遂げ
た。皮膜は、酸素と有機ケイ素化合物を試薬として、減
圧下で毎分約８μｍの速度で堆積した。グラデーション
は酸素、有機ケイ素試薬又はその両方の供給速度を変化
させることによって達成した。これらの漸変皮膜は、基
本的に境界物質の組成から実質的に耐摩耗性材料の組成
へと組成が次第に変化することを特徴とする。境界物質
は基体表面と耐摩耗性材料の間に位置する物質である。
一般に、境界物質は基体及び耐摩耗性材料の両者に対し
て適合性で付着性となるような化学的及び物理的特性を
有する。皮膜は被覆ポリカーボネート複合材の耐摩耗性
を大幅に改善する。
【００１６】連続漸変皮膜は供給速度をコーティングプ
ロセス全体を通して連続的に変化させることで成膜し
た。不連続漸変皮膜は流速を段階的に変えることで作成
した。試薬の供給速度をこのように変化させることでア
ークプラズマをスムーズに操作することができ、グラデ
ーション層及び皮膜表層の耐摩耗性層を一体プロセスで
作成できることが実証された。毎分約８ミクロンの成膜
速度が典型的であった。ポリカーボネート上の適当なグ
ラデーション層上の厚さ３μｍの耐摩耗性層で良好な耐
摩耗性が達成された。
【００１７】好適な含ケイ素試薬にはシラン、ジシラン
或いはテトラメチルジシロキサン（ＴＭＤＳＯ）、ヘキ
サメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）、テトラエチルオ
ルトシリケート、ヘキサメチルジシラン、オクタメチル
シクロテトラシロキサン（Ｄ４）及びテトラメチルシク
ロテトラシロキサンのような有機ケイ素化合物がある。
酸化剤は酸素又は一酸化二窒素とすることができる。
【００１８】典型的な成膜手順では、基体とノズルイン
ジェクターの間にシャッターを挿入してアルゴンプラズ
マを確立した。次いで酸素をノズルインジェクターに導
入して酸素／アルゴンプラズマを発生させた。シャッタ
ーを抜いて基体を酸素／アルゴンプラズマに短時間暴露
した後含ケイ素試薬を酸素注入点の下流に導入して約３
〜６０秒間にわたる堆積を開始した。堆積時にＨＭＤＳ
Ｏ及び酸素の供給速度を共に変えて皮膜特性を変化させ
ることができた。典型的には、皮膜のグラデーション部
分には低い酸素／ＨＭＤＳＯ比を使い、耐摩耗性表層す
なわち最外層には高い酸素／ＨＭＤＳＯ比を用いた。
【００１９】表３には、グラデーションをつけたときと
つけなかったときの被覆ポリカーボネートサンプル（厚
さ０．１２５インチ）の耐摩耗性を対比した。ヘーズ
は、テレダイン−テーバー５１５０摩耗試験機（２つの
ＣＳ１０Ｆ摩耗輪、各５００ｇ）でサンプルを標記サイ
クル数摩耗したときの前後にＰａｃｉｆｉｃ Ｓｃｉｅ
ｎｔｉｆｉｃ ＸＬ−８３５比色計を用いて測定した。
【００２０】
【表３】
【００２１】本発明は、プラズマアーク成膜法により高
速で透明なケイ素酸化物系皮膜を製造する方法を提供す
る。この方法の実施にはケイ素源としてシラン又は有機
ケイ素化合物を使用し、酸化剤として酸素又は一酸化二
窒素を使用する。毎分３０ミクロンにも及ぶ成膜速度が
得られた。本発明のこの実施形態はケイ素酸化物の高速
成膜方法である。プラズマエンハンスト化学気相成長法
（ＰＥＣＶＤ）でケイ素酸化物皮膜を作成できることが
以前の研究で示されている。そうして製造した皮膜は食
品及び医薬包装用に有用なガスバリア性に優れていて、
ポリカーボネートその他のプラスチックに耐摩耗性を賦
与するとともに、集積回路内の絶縁材料に有用な誘電特
性、並びに耐蝕用途に向いた保護機能を呈する。しか
し、先行技術のＰＥＣＶＤプロセスは典型的な成膜速度
が毎分約０．０５ミクロンと遅かった。皮膜の経済性を
高めるような保護皮膜の高速成膜法を開発することが非
常に重要である。
【００２２】本明細書に記載の通り、ウォールスタビラ
イズドプラズマアークを用いることにより、ケイ素酸化
物皮膜を高速で製造する方法を開発に成功したが、該方
法は、真空チャンバー内でアルゴンプラズマジェットを
発生させ、含ケイ素前駆体及び酸化剤をプラズマジェッ
ト中に注入し、減圧環境中に置かれた基体にジェット又
はジェットの残基又はその反応性化学種を衝突させるこ
とからなる。反応体ガスはプラズマ発生器を超えた地点
（すなわち、ジェットがプラズマ発生器からでた後の地
点）でプラズマジェット中に注入される。
【００２３】典型的な成膜手順では、基体とノズルイン
ジェクターの間にシャッターを挿入してアルゴンプラズ
マを確立した。次いで酸素又は一酸化二窒素をノズルイ
ンジェクターに導入して酸素／アルゴンプラズマを発生
させた。シャッターを抜いて基体を酸素／アルゴンプラ
ズマに短時間（１〜３０秒間）暴露した後ケイ素試薬を
酸素の下流に導入してケイ素酸化物の堆積を開始した。
表４に被覆条件とそれに対応する成膜速度を示す。皮膜
の主成分はケイ素及び酸素であるが、幾つかの試料では
炭素及び水素も少量存在した。
【００２４】
【表４】
【００２５】本発明の高速成膜系はプラスチックを始め
とする高温及び低温基体上に薄膜コーティングを成膜す
るために設計された。この系はプラズマ発生用のアーク
トーチ、プラズマガス及び反応体ガス注入手段、化学試
薬の注入、活性化及び反応用ノズルインジェクター、基
体ステージ、並びに真空チャンバーを減圧にするための
ポンプ装置からなる。
【００２６】この方法を用いて、各種シラン又はシロキ
サンと酸素又は一酸化二窒素からケイ素酸化物の耐摩耗
性皮膜を成膜した。チタニア皮膜はチタンイソプロポキ
シドと酸素から成膜することができる。酸化亜鉛はジエ
チルもしくはジメチル亜鉛と酸素から成膜することがで
きる。ダイヤモンド様炭素皮膜は各種炭化水素から成膜
することができる。基体材料には、金属、ガラス、金属
化ガラス及びプラスチックがある。
【００２７】アークプラズマ成膜系を用いて各種皮膜を
成膜した。これらには、各種シロキサンと酸素からの耐
摩耗性皮膜、シランと一酸化二窒素からのシリカ皮膜、
チタンイソプロポキシドと酸素からのチタニア皮膜、並
びに各種炭化水素からのダイヤモンド様炭素皮膜があ
る。基体材料には、金属、ガラス、金属化ガラス、並び
にポリカーボネートのようなプラスチックがあり、シリ
コーンハードコートを有していても有していなくてもよ
い。面積３０ｃｍ×３０ｃｍの光学的に透明な皮膜が中
心において毎分約３０μｍの成膜速度で得られた。皮膜
はポリカーボネートの耐摩耗性を大幅に改善する。
【００２８】円筒形又は末広形いずれかのアークチャネ
ルをもつ水冷カスケードアークを使用した。アーク発生
器は、１〜８つの電気的に絶縁された銅盤で３本のトリ
ア添加タングステン針状陽極から隔離された銅陰極から
なるものであった。アルゴンを流しながら、電極にＤＣ
電圧を印加してプラズマを発生させた。プラズマは円錐
形ノズルインジェクターを通って減圧に維持されたチャ
ンバー内に広がり、プラズマジェットを形成した。ノズ
ルインジェクターは、ガス／蒸気をアルゴンプラズマジ
ェット中に注入するための、均等に分布した８〜３２個
の孔をもつ数個のシャワーリングガス分配器又はスリッ
トリングインジェクターを有していた。酸素インジェク
ターはシロキサンインジェクターの上流にあった。ノズ
ルインジェクターはＨＭＤＳＯやチタンイソプロポキシ
ドのような高沸点試薬の凝縮を避けるため約２００℃に
加熱した。ポリカーボネート基体は陰極から１５〜７０
ｃｍのワークディスタンスに設置された温度制御銅製ス
テージによってジェット軸上に載置した。基体のプラズ
マへの暴露を制御するために抜き差し可能なシャッター
を使用した。ポリカーボネート基体及びシリコーンハー
ドコート被覆ポリカーボネート基体は、成膜に使う前
に、イソプロピルアルコールで洗浄し、約８０℃で真空
乾燥した。
【００２９】前記と同様に、基体とノズルインジェクタ
ーの間にシャッターを挿入してアルゴンプラズマを確立
した。酸素／アルゴンプラズマを発生させるために酸素
をノズルインジェクターに導入した。シャッターを抜い
て基体を酸素／アルゴンプラズマに短時間（０〜３０秒
間）暴露した後ＨＭＤＳＯ又はＤ４のようなシロキサン
を酸素の下流に導入して約３〜３０秒間にわたる堆積を
開始した。毎分１０〜３０ミクロンの成膜速度が典型的
であり、ポリカーボネート基体への熱損傷は全くなかっ
た。厚さ１０ミルほどのポリカーボネートフィルムをコ
ーティングした。かかるコーティングによりポリカーボ
ネートの耐摩耗性が大幅に向上し、摩耗輪当たり５００
ｇの荷重を加えた一対のＣＳ１０Ｆ摩耗輪を用いての１
０００サイクルのテーバー摩耗試験後のヘーズの上昇は
約２％未満であった。
【００３０】その他の堆積皮膜には、亜鉛酸化物、チタ
ン酸化物及びダイヤモンド様炭素がある。チタン酸化物
及び亜鉛酸化物皮膜ではＵＶ濾過能力が実証された。ダ
イヤモンド様炭素皮膜は優れた誘電特性を呈し、３００
〜４００Ｖ／μｍの範囲の絶縁破壊強さを示した。ポリ
カーボネート上の透明酸化チタン皮膜をプラズマアーク
成膜法により低温で製造した。皮膜は、カスケードアー
クにより発生したアルゴンプラズマ中に酸素及びチタン
イソプロポキシドを注入することで減圧下で典型的には
毎分約０．２ミクロンの速度で堆積した。
【００３１】透明な酸化チタン皮膜は光学レンズにおい
てＵＶ過敏性プラスチックにＵＶ濾過のため使用されて
おり、グレージング用途においてＩＲ反射のため積層皮
膜の一成分としても使用されている。皮膜は有機金属気
相化学成長法（ＭＯＣＶＤ）、反応性スパッタリング及
びプラズマエンハンスト化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）
で製造することができる。ＭＯＣＶＤは基体を約４００
℃に加熱する必要があり、ガラスのような高温基体にし
か適用できない。反応性スパッタリング又はＰＥＣＶＤ
はそれより低い温度で作業できるが、成膜速度が毎分約
０．０１〜０．０５ミクロンと低い。
【００３２】本発明の方法はガラス、金属及びプラスチ
ックのような基体にチタン又は亜鉛酸化物のような金属
酸化物膜を高速で成膜する技術を提供する。真空チャン
バー中でアルゴンプラズマジェットを発生させ、有機チ
タン試薬と酸素をプラズマジェット中に注入し、減圧環
境中に置かれた基体に向けてジェットを方向付けること
によって、高速及び低温で酸化チタン皮膜を成膜した。
微小亀裂の全くない光学的に透明な酸化チタン皮膜が得
られた。皮膜のＵＶ濾過能力が実証された。
【００３３】前述の円筒形内孔を有する水冷アークを使
用した。ステンレス鋼製ノズルインジェクターは、アル
ゴンプラズマガス中に反応性ガスを注入するための孔を
各々８〜１６個有する２つのシャワーリングガス分配器
を有していた。基体のプラズマへの暴露を制御するため
に抜き差し可能なシャッターを使用した。基体とノズル
インジェクターの間にシャッターを挿入してアルゴンプ
ラズマを確立した。酸素をノズルインジェクターに導入
して酸素／アルゴンプラズマを発生させた。シャッター
を抜いて基体を酸素／アルゴンプラズマに短時間（概し
て３０秒以内）暴露した後チタンイソプロポキシドを酸
素の下流に導入して約１〜２分間にわたる酸化チタンの
堆積を開始した。基体としてガラスを用いたが、ポリカ
ーボネート上での成膜にも基本的に同様の被覆条件をプ
ラスチックへの熱損傷を起こさずに用いることができ
る。一つの例では、毎分約０．２３ミクロンの成膜速度
で厚さ約０．５μｍの酸化チタン皮膜ができた。この皮
膜は透明であった。そのＵＶ濾過能力はＵＶ−可視分光
法で確認された。この皮膜は温水浸漬試験において化学
的に安定であった。皮膜を６５℃の温水に１５日間浸漬
した後もヘーズの増大は全くみられなかった。
【００３４】ジエチル亜鉛と酸素を試薬として用いてガ
ラス、石英及びポリカーボネート基体上に酸化亜鉛皮膜
を成膜した。得られた皮膜でＵＶ濾過能力が実証され
た。直径０．７ｍ及び長さ１ｍの円筒形真空チャンバー
を水平に配置した。その一方の端はチャンバー内部にア
クセスするための０．７ｍの自在ドアであった。アーク
発生器をチャンバー外側のドアの中央に取付け、電源及
び始動機で電気的にサポートした。アークにチャンバー
内側からノズルインジェクターを取付けるとともに、蒸
気とガスの送出用並びにノズルインジェクターをサポー
トするための電気的加熱用にドアを貫くのに各種フィー
ドスルーを用いた。蒸気管路及びノズルインジェクター
は蒸気の凝縮を避けるため加熱テープを用いて約１５０
℃に維持した。温度制御のために強制的に液体を循環し
た垂直銅基体ステージは車輪上にあり、ワークディスタ
ンス調整のためレールにそって移動可能であった。モリ
ブデン製シャッターをノズルインジェクターと基体ステ
ージの間に配置した。シャッターは抜き差しのため可動
（直線運動）フィードスルーに取付けた。チャンバーの
もう一方の端は１２インチのフランジがあり、絞り弁並
びに直結した２つのルーツブロワーとメカニカル真空ポ
ンプからなるポンプ装置につながっていた。
【００３５】厚さ１／８インチ、４インチ四方のポリカ
ーボネートシートを基体として用いた。使用したその他
の基体には、ガラススライド、シリコンウェハー、ポリ
カーボネートシート及びフィルム、ポリイミドフィル
ム、グラファイトシート、炭素鋼クーポン、並びにエポ
キシ被覆ガラスがある。基体は、まずマスキングフィル
ムがあればそれを取除き、接着剤残留物を除くためにイ
ソプロピルアルコールで２度洗浄し、８０℃の真空中で
ベーキングすることによって準備することができる。次
いで、真空オーブンから取り出し、８０℃又は別の設定
温度に予熱しておいた基体ステージにすばやく載置す
る。ドアを閉じて、メカニカルポンプへの粗引き弁を開
いてチャンバーを排気した。部分真空（１０ｔｏｒｒ）
に達した時点でゲート弁を開き、ルーツブロワーを起動
してフルに排気した。
【００３６】シャッターを挿入して、アルゴンを流しな
がらアークを点弧した。次いで酸素をノズルインジェク
ターに導入して酸素／アルゴンプラズマを発生させた。
シャッターを抜いて基体を前処理のため酸素／アルゴン
プラズマに所定時間（典型的には０〜１０秒間）暴露し
た。しかる後に、ケイ素試薬を酸素インジェクターの下
流のインジェクターに導入して堆積を開始した。成膜速
度及び目標とする膜厚に応じて数秒から数分間堆積を続
け、ケイ素試薬を止めることで終了した。皮膜はアーク
を消す前に所定時間（典型的には０〜１０秒）酸素／ア
ルゴンプラズマで後処理した。表７に典型的な作業条件
とそれに対応する成膜結果を示す。
【００３７】特に好ましいケイ素試薬は本明細書中でＤ
４と表示したオクタメチルシクロテトラシロキサンであ
る。この前駆体から調製した皮膜はＵＶ安定性が驚くほ
ど改善された。幾つかの波長での皮膜の低い吸光度は促
進耐候試験における優れた性能と相関している。ＴＭＤ
ＳＯのような別の有機ケイ素試薬を用いると、概して１
０００時間の暴露後の耐摩耗性が劣化する。以下の表５
及び表６を参照されたい。
【００３８】
【表５】
【００３９】
【表６】
【００４０】他の実施例（Ｇ２９５、Ｇ２９６）では、
イソプロピルアルコール洗浄と試料の真空乾燥を省略
し、成膜を室温で行った。成膜速度の低下も皮膜の耐摩
耗性の低下もみられなかった（Ｇ２９７との対比）。成
膜プロセス中に化学反応が起こる。起こり得る反応は酸
化及び重合である。酸化反応はプラズマ中の酸素の存在
によって促進される。供給原料中の酸素／シロキサン比
を高めると、堆積皮膜はＸ線光電子分光方法で測定した
ところ酸素含有量が増し、炭素含有量が低下した。ある
酸素／シロキサン比を超えると、全くの無機酸化物皮膜
が得られた。約５：１の酸素／ＨＭＤＳＯ比で基本的に
炭素を含まないケイ素酸化物皮膜が生成した。
【００４１】シロキサンの重合は競争化学反応であり、
酸素非存在下におけるシロキサンだけからの透明付着性
皮膜を形成し得る。シロキサンのプラズマ促進重合はＰ
ＥＣＶＤに関する文献に十分に記載されている。ただ
し、酸素が存在すると、酸化が支配的な反応となってケ
イ素酸化物が形成され、シロキサンが消費される。化学
反応は気相で起こると考えられるが、基体の表面でも反
応が継続する可能性がある。化学反応は反応体の衝突を
必要とする。したがって、圧力が高いほど、反応の確率
は高くなる。プラズマチャネルにそった圧力はアルゴン
入口の２００ｔｏｒｒ以上からチャンバー内の０．０３
ｔｏｒｒもの低さまで下がるが、主な変化はアーク及び
ノズルインジェクターで生じる。反応領域はしたがって
主にシロキサンの注入点下流のノズルインジェクター内
である。基体は化学種の衝突の起こるもう一つの場所で
ある。
【００４２】アルゴンプラズマは酸素とシロキサンの活
性化に寄与する。アークはその高いプラズマ密度及びイ
オン化効率が知られており、一般に局所的熱力学平衡に
近い熱プラズマといわれている。
【００４３】
【表７】

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 プラスチック基体上へのケイ素酸化物系
    耐摩耗性皮膜のプラズマ成膜により耐摩耗性物品を製造
    する方法であって、アークプラズマ発生器にプラズマガ
    スを通し、プラズマ発生器からプラズマが出てくるとき
    のプラズマ中に酸素及び反応性ガスを注入し、プラズマ
    内部で形成された活性種が基体の表面と接触するように
    真空チャンバー内のプラズマ柱の軸上に配置された基体
    に向けて酸素及び反応性ガスを含むプラズマを方向付け
    ることを含んでなる方法。
  2. 【請求項２】 プラズマ成膜により基体表面に付着性皮
    膜を堆積する方法であって、直流アークプラズマ発生器
    により酸素含有プラズマガスを形成し、プラズマ発生器
    外部のプラズマ中に反応体ガスを注入し、プラズマによ
    って酸素及び反応体ガスから形成された反応性化学種が
    基体の表面と付着性皮膜を生じるのに十分な時間にわた
    って接触するように、真空チャンバー内部に配置された
    基体に向かってプラズマ発生器から真空チャンバー内へ
    と延びた末広ノズルインジェクターによりプラズマを真
    空チャンバー内に方向付けることを含んでなる方法。
  3. 【請求項３】 前記付着性皮膜が金属酸化物である、請
    求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記金属酸化物がケイ素、チタン又は亜
    鉛の酸化物である、請求項２記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記反応体ガスが有機ケイ素である、請
    求項２記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記反応体ガスがテトラメチルジシロキ
    サン、ヘキサメチルジシロキサン、テトラエチルオルト
    シリケート、ヘキサメチルジシラン、オクタメチルシク
    ロテトラシロキサン及びテトラメチルシクロテトラシロ
    キサンからなる群から選択される、請求項２記載の方
    法。
  7. 【請求項７】 前記プラズマ発生器が１又は複数の電気
    的に絶縁されたプレートを有するカスケードアークプラ
    ズマトーチである、請求項２記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記付着性皮膜がケイ素、酸素、炭素及
    び水素を含んでなるケイ素酸化物系組成物である、請求
    項２記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記付着性皮膜が、酸化亜鉛、二酸化チ
    タン又はそれらの混合物から基本的になる紫外線吸収性
    皮膜である、請求項２記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記基体がガラス、熱可塑性樹脂及び
    ポリカーボネートからなる群から選択される、請求項２
    記載の方法。
  11. 【請求項１１】 プラスチック基体上へのケイ素酸化物
    系耐摩耗性皮膜のプラズマ成膜により耐摩耗性物品を製
    造する請求項１記載の方法であって、少なくとも１つの
    陽極と少なくとも１つの陰極とを有するアークプラズマ
    発生器にプラズマガスを通し、プラズマ発生器内の陽極
    の下流もしくは陰極においてプラズマ中に酸素及び反応
    性有機ケイ素ガスを注入し、プラズマ内部で形成された
    活性種が基体の表面と接触するように真空チャンバー内
    に配置された基体に向けてプラズマを方向付けることを
    含んでなる方法。
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