JPWO2015076210A1 - 薄膜形成方法およびコーティングガラス - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の方法により形成されるTiO2薄膜は、薄膜系太陽電池を製造する際、該薄膜系太陽電池の透明基体をなす基板(例えば、ガラス基板)上に形成される各種機能膜、具体的には、アルカリバリア層、およびガラス基板と透明導電膜をなす酸化スズ膜との間に形成される中間屈折率層として好適である。
また、本発明の方法により形成されるTiO2薄膜は、他の用途で基板上に形成される各種機能膜、具体的には、反射防止膜の一部をなす層、断熱効果に優れたLow−E(Low−emissivity)ガラスの表面層、および太陽光の集光ガラスの反射増幅層としても好適である。
反射防止膜の一部をなす層としてTiO2薄膜を形成する場合、該TiO2よりも屈折率が低い低屈折率膜としての酸化ケイ素(SiO2)薄膜と、TiO2薄膜と、を交互に積層させる。ここで、SiO2薄膜、および、TiO2薄膜が常圧CVD法を用いて形成される場合、生産性の向上という観点からは、これら薄膜の成膜速度が速いことが望ましい。上述した他の用途においても、生産性の向上という観点からは、常圧CVD法によるTiO2薄膜形成時の成膜速度は速いことが望ましい。
また、例えば特許文献1には、反応性の高い塩化チタンを主原料として酸素源としてエステル等を添加して、主にフロートバス内のCVD法によってスズ含有酸化チタンの光触媒活性を発現する薄膜を形成する方法が開示されている。
結晶粒で構成される酸化スズ(SnO2)膜表面にTiO2薄膜を形成すると、形成されるTiO2薄膜は、TiO2の微小な結晶粒が構成されることにより、低密度な構造になりやすい。図2(a)は、表面にTiO2薄膜が形成されたフッ素ドープ酸化スズ(SnO2)(FTO)膜の断面SEM写真であり、図2(b)はTiO2薄膜が形成された部位の拡大図である(出典:Yoshitake Masuda and Kazumi Kato,Chem.Mater.2008,20,1057−1063)。
形成されるTiO2薄膜が緻密化すると、該TiO2薄膜の屈折率が増大する。これにより、可視光光学反射率(Rv)が増加すると考えられる。可視光光学反射率(Rv)の増加は、Low−Eガラスとして使用する場合、遮熱効果を向上させる。このため、形成されるTiO2薄膜の緻密化が望ましい。また、TiO2薄膜が緻密化することにより、機械的な接触に対する膜構造の変形に対する耐久性も向上する。例えば圧迫によりTiO2層の幾何的な厚みが減少する場合、圧迫された部分のみの反射色調が変化する。建築用Low−Eガラスとして使用する場合、このような色調変化により外観の均一性が損なわれることは致命的な問題である。
さらに、本発明によれば、SnO2薄膜上に形成されるTiO2薄膜について、(1)該TiO2薄膜が緻密化される、(2)該TiO2薄膜のヘイズムラが解消されて外観が均一化される、(3)該TiO2薄膜の遮熱係数(Shading Coefficient:SC)(%)が低下する、等の効果が得られる。(3)の効果は、Low−Eガラスの断熱効果の向上に寄与する。
また、TiO2薄膜の下地となるSnO2薄膜表面に存在する凹凸の傾斜が特定の範囲であると、TiO2薄膜形成によるヘイズ率の増加が抑制できる。
また、TiO2薄膜の下地となるSnO2薄膜表面のうち、凹凸を含まない平坦な平面の面積に対する、凹凸を含む表面の面積の増分が特定の範囲であると、TiO2薄膜形成によるヘイズ率の増加が抑制できる。
一般に、常圧CVD法によりTiO2薄膜を形成する場合は、所定の温度に加熱した基板上に、Ti原料を供給し、該Ti原料を酸素(O2)と反応させてTiO2薄膜を形成する。Ti原料としては、一般に、チタンテトライソプロピオキシド(TTIP)や塩化チタン(TiCl4)が用いられている。TTIPは、反応性の高い塩素を含まないため、例えば、水分を含む大気中でも反応制御がしやすく、取り扱いが簡易である。塩化チタン(TiCl4)は、反応性が高く成膜速度を高めたいときに有利である。但し、TiCl4は、ガラス基板上に供給した場合に、ガラス基板に含まれるNaと、TiCl4に含まれるClが反応してNaClが生成し、ヘイズが発生してしまうという問題がある。このため、本発明のTiO2薄膜の形成方法では、Ti原料としてTTIPを用いる。
ガラスの種類としては、ソーダライムシリケートガラス、アルミノシリケートガラス、ボレートガラス、リチウムアルミノシリケートガラス、石英ガラス、ホウ珪酸ガラス、無アルカリガラスなどがあげられる。ガラスは無色透明であることが好ましい。
ガラス基板の場合は、その厚さは0.2〜6.0mmであることが好ましい。ガラス基板の厚さがこの範囲であると強度が高い。基板の透明性の程度を透過率で表すと、基板は80%以上の透過率を有することが好ましい。ガラス基板は電気的絶縁性が十分あり、かつ化学的、物理的耐久性が高いことが望ましい。
SnO2薄膜は、SnO2のみで形成される膜であってもよいが、ドーパントとして、フッ素(F)またはアンチモン(Sb)を含有する膜であってもよい。SnO2薄膜として、これらのドーパントを含有する膜を使用した場合、可視光から近赤外の波長域の光線吸収性が付与されるため、本発明のTiO2薄膜の形成方法により得られるコーティングガラスをLow−Eガラスとして使用する際に、該Low−Eガラスの遮熱性がさらに向上する。
ドーパントとして、Fを含有する場合、SnO2薄膜中のSnに対するモル比(F/Sn)で0.01〜0.1であることが好ましい。一方、ドーパントとして、Sbを含有する場合、SnO2薄膜中のSnに対するモル比(Sb/Sn)で0.01〜0.5であることが好ましい。
SnO2薄膜の膜厚は240〜350nmであることが好ましく、260〜330nmであることがより好ましく、310〜330nmであることが特に好ましい。
基板として、ソーダライムシリケートガラスなどのアルカリ含有ガラス基板を用いる場合、ガラス基板からSnO2薄膜へのアルカリ成分の拡散が問題となる。基板と、SnO2薄膜と、の間に、SiOx(0<x≦2)薄膜を形成した場合、該SiOx(0<x≦2)薄膜が、SnO2薄膜へのアルカリ成分の拡散を抑制するアルカリバリア膜として機能する。
また、SiOx(0<x≦2)は、基板を構成するガラスと、SnO2薄膜を構成するSnO2の中間の屈折率を有するため、ガラス基板とSnO2薄膜との屈折率の差異を軽減する機能も発揮する。
基板と、SnO2薄膜と、の間に形成されるSiOx(0<x≦2)薄膜の膜厚は、40〜90nmであることが好ましい。
SnO2薄膜上にTiO2薄膜を形成する際に、副原料としてスズ塩化物を添加することにより、TiO2薄膜の成膜速度が向上する理由は明らかではないが、SnO2薄膜上にTiO2成長核が発生しにくい状態を緩和することが関連しているものと推測される。すなわちSnO2薄膜表面はTiO2成長核に対するエネルギー的な障壁が高い状態にあるが、本発明のTiO2薄膜の形成方法においては、膜成長の初期ではSnO2とTiO2との混合層が形成されるため、SnO2薄膜とTiO2薄膜との界面でのエネルギー障壁が低下することにより、TiO2の発生点が増加すると推測される。この機構により、TiO2薄膜は、SnO2薄膜とTiO2薄膜との界面から高密度のまま膜成長し、成膜速度が増加すると考えられる。
スズ塩化物の量は、TTIPに対する濃度比(スズ塩化物(mol%)/TTIP(mol%))で0.02〜0.1が好ましく、0.025〜0.08がより好ましく、0.025〜0.07であることが特に好ましい
上述したように、SnO2薄膜表面に、TTIPを原料としてTiO2薄膜を形成すると、形成されるTiO2薄膜は低密度な構造になりやすい。これに対し、本発明のTiO2薄膜の形成方法によれば、形成されるTiO2薄膜が緻密化されて、TiO2薄膜の密度が向上する。形成されるTiO2薄膜が緻密化される理由は明らかではないが、副原料としてスズ塩化物を添加することにより、TiO2の発生点が増加することによると推測される。本発明では、この成膜機構の変化を特定する方法として、ESCA(X線光電子分光)による、SnO2薄膜とTiO2薄膜との界面領域での元素構成比(Ti元素およびSn元素の存在比)の膜厚方向のプロファイルを用いた。この点については後述する。
SnO2薄膜表面に、TTIPを原料としてTiO2薄膜を形成すると、形成されるTiO2薄膜に、色ムラ、ヘイズムラといった外観上の不具合が生じる場合がある。本発明のTiO2薄膜の形成方法によれば、これら外観上の不具合が存在しない、外観が均一なTiO2薄膜を形成できる。
上述した外観上の不具合は、SnO2薄膜表面に存在する微小な付着物(例えば、洗浄の痕跡)や、原料ガスがSnO2薄膜表面に接触した際の気流パターンにより、TiO2薄膜の形成にムラが生じたために発生すると考えられる。すなわち、微小な付着物が付着した部位や、SnO2薄膜表面に到達する原料濃度(TTIP濃度)の濃淡が、TiO2の発生点の密度差となり、TiO2薄膜の成長速度が変動し、TiO2薄膜の形成にムラが生じると考えられる。これに対し、本発明のTiO2薄膜の形成方法では、副原料としてスズ塩化物を添加することにより、TiO2の発生点が増加するため、微小な付着物が付着した部位や、SnO2薄膜表面に到達する原料濃度(TTIP濃度)の濃淡による影響が軽減されると考えられる。これにより、TiO2薄膜の形成が均一化され、外観が均一なTiO2薄膜を形成できると考えられる。
また、本発明のTiO2薄膜の形成方法により得られるコーティングガラスは、副原料としてスズ塩化物を添加することなしにTiO2薄膜を形成したコーティングガラスに比べて遮熱係数(Shading Coefficient:SC)が低下する。SCが低下する理由は、形成されるTiO2薄膜が緻密化することにより、該TiO2薄膜の屈折率が増大して、該コーティングガラスの可視光光学反射率(Rv)が増加したことによると考えられる。
本発明のTiO2薄膜の形成方法により得られるコーティングガラスにおいては、TiO2薄膜形成前後でのSCの差(TiO2薄膜形成前のSC−TiO2薄膜形成後のSC)が0.04以上であることが、該コーティングガラスをLow−Eガラスとして使用する場合に断熱効果が向上するため好ましく、0.05以上であることがより好ましい。
また、本発明のTiO2薄膜の形成方法により得られるコーティングガラスは、副原料としてスズ塩化物を添加することなしにTiO2薄膜を形成したコーティングガラスに比べてC光源ヘイズ率が低くなる。スズ塩化物を添加しない場合は、TiO2薄膜は微細なTiO2結晶粒がSnO2薄膜表面に付着した構造となるが、スズ塩化物を添加した場合はTiO2薄膜が緻密な構造となる。微細なTiO2結晶粒は光を散乱させる原因となるため、このような構造のないTiO2薄膜が形成されることでC光源ヘイズ率が低下しているものと考えられる。
但し、ガラス基板上に、SnO2薄膜、および、TiO2薄膜がこの順に形成されたコーティングガラスにおいて、該コーティングガラスのC光源ヘイズ率に影響を及ぼす因子としては、TiO2薄膜の膜構造以外に、(a)TiO2薄膜の膜厚、および(b)TiO2薄膜の下地、すなわち、SnO2薄膜が形成されたガラス基板のC光源ヘイズ率、が存在する。これら(a)および(b)によるC光源ヘイズ率への影響と比較すると、TiO2薄膜の膜構造による影響は小さい。したがって、該コーティングガラスのC光源ヘイズ率を低くするためには、(a)および(b)による影響も検討する必要がある。
一方、TiO2薄膜の膜厚が60nm超だと、該コーティングガラスのC光源ヘイズ率が著しく増大して、後述するコーティングガラスのC光源ヘイズ率についての要求を満たすことができない。また反射率のピークが波長600nm以上の領域に広がるため反射色調がオレンジ〜ブロンズ系になる。このような色調は建築用Low−Eガラスとしては好ましくない。
TiO2薄膜の膜厚が40〜50nmであると、500〜600nmの波長域に反射ピークが発生して、該コーティングガラスの反射色調がニュートラルになる、すなわち、反射色調が無色になることからより好ましい。
これらのSnO2薄膜表面に存在する微細な凹凸パターンの定量化は以下の手順で行うことができる。
SnO2薄膜表面を原子間力顕微鏡(AFM)で撮影すると、サンプル表面(X−Y平面)を二次元のメッシュで区切った各点の高さZを画像処理したものとして、AFM像が得られる。AFM像を形成するZ(Xk,Yl)(k,lは自然数)座標データを使い、走査型プローブ顕微鏡用に開発されたナノスケール3D画像処理ソフトウェア「イメージメトロロジー社製 SPIPTM (Scanning Probe Image Processor)」による解析を実施したところ、同ソフトウェアにより計算される値Sdq、すなわち、Root Mean Square Slope(二乗平均平方根勾配)および、Sdr、すなわち、Surface Area ratio(表面面積比)により、TiO2薄膜形成後のC光源ヘイズ率の増加を合理的に説明できることが判明した。
Sdq、すなわち、Root Mean Square Slope(二乗平均平方根勾配) は対象領域内の凹凸がなす、SnO2薄膜表面の傾斜の二乗平均平方根の値に対応し次式で定義される。
本発明のTiO2薄膜の形成方法において、Sdqの値が0.58以上であることが、ガラス基板上に、SnO2薄膜、および、TiO2薄膜がこの順に形成されたコーティングガラスのC光源ヘイズ率が低くなることから好ましく、0.62以上がより好ましい。
また、Sdrの値が17%以上であることが、ガラス基板上に、SnO2薄膜、および、TiO2薄膜がこの順に形成されたコーティングガラスのC光源ヘイズ率が低くなることから好ましく、18%以上がより好ましい。
本実施例および比較例では、常圧CVD法を用いて、アンチモン(Sb)ドープSnO2薄膜上にTiO2薄膜を形成した。アンチモン(Sb)ドープSnO2薄膜は、Sb/Snモル比率が0.05である。アンチモン(Sb)ドープSnO2薄膜は、ガラス基板(ソーダライムシリケートガラス基板)上に形成されたSiOx(0<x≦2)薄膜上に形成されており、膜厚320nmである。
SiOx(0<x≦2)薄膜は膜厚70nmである。
副原料として、MBTCをTTIPに対する濃度比(MBTC(mol%)/TTIP(mol%))で、0〜0.3となる量添加した。TTIPに対するMBTCの濃度比が0.02から0.1の範囲が実施例1であり、それ以外の範囲が比較例1である。
TiO2薄膜形成時の基板温度は、550℃であった。
TTIPに対するMBTCの濃度比(MBTC(mol%)/TTIP(mol%))と、形成されたTiO2薄膜の膜厚(nm)、および、C光源ヘイズ率(%)と、の関係を図3に示した。
なお、TiO2薄膜の膜厚、および、C光源ヘイズ率の測定手順は以下の通りである。
TiO2薄膜の膜厚:蛍光X線分析装置(XRF)のTiカウント数から膜厚に換算する。
C光源ヘイズ率:ヘイズメーターを用いて測定する。
比較のため、C光源ヘイズ率は、TiO2薄膜の形成前にも測定した。
図3から明らかなように、TTIPに対するMBTCの濃度比を増やすにつれて、TiO2薄膜の膜厚が増加し、TTIPに対するMBTCの濃度比が0.02から0.1の間で最大値となる(実施例1)。さらに、TiO2薄膜の形成前のC光源ヘイズ率が0.4%程度であるのに対して、TTIPに対するMBTCの濃度比が0.1までは1%よりも低い値であり(実施例1)、TTIPに対するMBTCの濃度比が0.14では1.8%に急増し、TTIPに対するMBTCの濃度比が0.28付近では1%程度に減少する(比較例1)。この結果から、TTIPに対するMBTCの濃度比が0.02から0.1の間では、TiO2薄膜の着膜効率が極大となり、C光源ヘイズ率が1%以下となることがわかる(実施例1)。
TTIPに対するMBTCの濃度比が0.02未満では色ムラ、ヘイズムラといった外観上の不具合(外観が均一ではない状態)が認められた(比較例1)。
図4(a)および(b)は、ガラス基板上に形成されたアンチモン(Sb)ドープSnO2薄膜上にTiO2薄膜を形成した場合について、該ガラス基板をTiO2薄膜の側から撮影した写真である。図4(a)は、MBTCを添加しなかった場合(TTIPに対するMBTCの濃度比が0)(比較例1)であり、図4(b)は、TTIPに対する濃度比(MBTC(mol%)/TTIP(mol%))でMBTCを0.05添加した場合(実施例1)である。図4(a)(比較例1)では、TiO2薄膜の反射色に分布(ムラ)が発生しているのに対し、図4(b)(実施例1)では、TiO2薄膜の反射色が均一化されている。
本実施例および比較例では、実施例1と同様の手順で、アンチモン(Sb)ドープSnO2薄膜上にTiO2薄膜を形成した。MBTCは、TTIPに対する濃度比(MBTC(mol%)/TTIP(mol%))で0.05添加した。成膜時間を調節することにより、TiO2薄膜の膜厚が異なる複数のサンプルを作成した(実施例2)。
また、MBTCを添加しなかった場合(TTIP100%)についても、TiO2薄膜の膜厚が異なる複数のサンプルを作成した(比較例2)。
さらに、MBTCを添加しなかった場合(TTIP100%)については、C光源ヘイズ率が0.8%程度であるアンチモン(Sb)ドープSnO2薄膜上にTiO2薄膜を形成したサンプルも作成した(比較例2)。
これらのサンプルについて、実施例1と同様の手順でC光源ヘイズ率を測定した。
TiO2薄膜の膜厚(nm)と、C光源ヘイズ率(%)と、の関係を図5に示した。
図5から明らかなように、MBTCを添加した場合(実施例2)およびMBTCを添加しなかった場合(比較例2)のいずれについても、TiO2薄膜の膜厚が増加するにつれてC光源ヘイズ率が増大し、TiO2薄膜の膜厚が60nm超になるとC光源ヘイズ率が著しく増大する。MBTCを添加しなかった場合(比較例2)に関して、C光源ヘイズ率が0.4程度のアンチモン(Sb)ドープSnO2薄膜上にTiO2薄膜を形成したものに比べて、0.8%程度であるアンチモン(Sb)ドープSnO2薄膜上にTiO2薄膜を形成したものは、C光源ヘイズ率が高かった。また、C光源ヘイズ率が0.4程度のアンチモン(Sb)ドープSnO2薄膜上にTiO2薄膜を形成したものについて比較した場合、MBTCをTTIPに対する濃度比(MBTC(mol%)/TTIP(mol%))で0.05添加した場合(実施例2)は、MBTCを添加しなかった場合(比較例2)に比べてC光源ヘイズ率が低かった。
本実施例および比較例では、実施例1と同様の手順で、アンチモン(Sb)ドープSnO2薄膜上にTiO2薄膜を形成した。MBTCは、TTIPに対する濃度比(MBTC(mol%)/TTIP(mol%))で0.05添加した(実施例3)。
また、MBTCを添加しなかった場合についても、実施例1と同様の手順で、アンチモン(Sb)ドープSnO2薄膜上にTiO2薄膜を形成した(比較例3)。
これらの例について、以下の手順で遮熱係数(SC)を測定した。
分光光度計を用いて300nm〜2500nmの波長範囲での分光透過率、ガラス面反射率、コーティング面反射率をそれぞれ測定した。またコーティング面の放射率は放射率計を用いて測定した。これらの測定値をもとにJIS R 3106:1998に定められた計算式を用いてSCを計算した。
また、これらの例について、以下の手順で可視光光学反射率(Rv)を測定した。
分光光度計により測定した分光反射率測定値をもとにJIS R 3106:1998に定められた計算式を用いてRvを計算した。
なお、可視光光学反射率(Rv)は、TiO2薄膜が形成された側(coated side)とガラス基板側(glass side)の両方について測定した。
また、比較のため、SCおよび可視光光学反射率(Rv)は、TiO2薄膜の形成前にも測定した。
TiO2薄膜の膜厚(nm)と、SCと、の関係を図6に示した。図6から明らかなように、MBTCを添加した場合(実施例3)およびMBTCを添加しなかった場合(比較例3)のいずれも、TiO2薄膜の形成前に比べてSCが低下した。さらに、MBTCをTTIPに対する濃度比(MBTC(mol%)/TTIP(mol%))で0.05添加したもの(実施例3)は、MBTCを添加しなかった場合(比較例3)に比べてSCが低下した。
TiO2薄膜の膜厚(nm)と、可視光光学反射率(Rv)(%)と、の関係を図7に示した。図7から明らかなように、いずれの例においても、TiO2薄膜が形成された側(coated side、TiO2薄膜の形成前のサンプルの場合は、SbドープSnO2薄膜が形成された側)のほうが、ガラス基板側(glass side)よりも可視光光学反射率(Rv)が高い。MBTCを添加した場合(実施例3)およびMBTCを添加しなかった場合(比較例3)のいずれも、TiO2薄膜の形成前よりも可視光光学反射率(Rv)が高い。さらに、MBTCをTTIPに対する濃度比(MBTC(mol%)/TTIP(mol%))で0.05添加したもの(実施例3)は、MBTCを添加しなかった場合(比較例3)よりも、可視光光学反射率(Rv)が高い。
これらの結果から、TiO2薄膜の形成により、可視光光学反射率(Rv)が向上することで、SCが低下することが確認できる。さらに、MBTCをTTIPに対する濃度比(MBTC(mol%)/TTIP(mol%))で0.05添加した場合(実施例3)においては、MBTCを添加しなかった場合(比較例3)に比べて、可視光光学反射率(Rv)が向上することで、遮熱係数(SC)が低下することが確認できる。また、MBTCをTTIPに対する濃度比(MBTC(mol%)/TTIP(mol%))で0.05添加した場合(実施例2)では、C光源ヘイズ率も低かった。このように、断熱効果を高めたLow−Eガラスが得られる。
MBTCをTTIPに対する濃度比(MBTC(mol%)/TTIP(mol%))で0.05添加した場合(実施例3)において、MBTCを添加しなかった場合(比較例3)に比べて、可視光光学反射率(Rv)が向上する理由は、形成されるTiO2薄膜が緻密化することにより、該TiO2薄膜の屈折率が増大して、該コーティングガラスの可視光光学反射率(Rv)が増加したためであると考えられる。
本実施例および比較例では、実施例1と同様の手順で、アンチモン(Sb)ドープSnO2薄膜上にTiO2薄膜を形成した。MBTCは、TTIPに対する濃度比(MBTC(mol%)/TTIP(mol%))で0.05添加した(実施例4)。
また、MBTCを添加しなかった場合についても、実施例1と同様の手順で、アンチモン(Sb)ドープSnO2薄膜上にTiO2薄膜を形成した(比較例4)。
これらについて、破断面を走査電子顕微鏡(SEM)観察した。比較のため、TiO2薄膜の形成前にも破断面を走査電子顕微鏡(SEM)観察した。
図8は、TiO2薄膜の形成前、すなわち、基板上に形成されたアンチモン(Sb)ドープSnO2薄膜の断面SEM写真である。図9は、MBTCを添加しなかった場合(比較例4)のTiO2薄膜形成後の断面SEM写真である。図10は、TTIPに対する濃度比(MBTC(mol%)/TTIP(mol%))でMBTCを0.05添加した場合(実施例4)のTiO2薄膜形成後の断面SEM写真である。図8〜図10から明らかなように、MBTCを添加しなかった場合(比較例4)では、形成されたTiO2薄膜に細かい組織構造が観察できるのに対して、TTIPに対する濃度比(MBTC(mol%)/TTIP(mol%))でMBTCを0.05添加した場合(実施例4)では、形成されたTiO2薄膜には細かい組織構造は観察されず、形成されたTiO2薄膜が緻密な構造であることが確認できた。
次にこれら2種類(実施例4、比較例4)のサンプルについて、TiO2薄膜表面から膜厚方向における元素構成比(Ti元素およびSn元素の存在比)の変化をESCA(X線光電子分光)により評価した。図11はTiO2薄膜表面からの深さ(Sputtering time)と、Ti2p、Sn3d5、O1sそれぞれのX線カウントをもとに計算した元素構成比との関係を表す。但し、元素構成比の絶対値は必ずしも正確ではなく、相対値としての比較が有効である。
TTIPに対する濃度比(MBTC(mol%)/TTIP(mol%))でMBTCを0.05添加した場合(実施例4)を破線で、MBTCを添加しなかった場合(比較例4)を実線で表わしている。SnO2薄膜とTiO2薄膜との界面領域(Sputtering timeが40から180の領域)でのTi2pおよびSn3d5カウントの変動に注目すると、実施例4では1つの変曲点を持つスムーズな曲線であった。このような曲線はSnO2薄膜表面に存在する凹凸の影響により、SnO2薄膜とTiO2薄膜との界面が不明瞭になることを示している。
これに対して比較例4ではSputtering timeが100付近の領域に曲率が不連続になる地点が発生している。またTi2pカウントは、この地点を境界として浅い側では深さ方向に急低下し、深い側では緩慢に減少する。Sn3d5については逆に急増から緩慢な増加に変化する。このことはSnO2薄膜表面に存在する凹凸の影響に加えて、SnO2薄膜とTiO2薄膜との界面領域には低密度のTiO2層が存在することを示す。
これらのことから、MBTCの添加により成膜初期の段階から緻密な構造のTiO2薄膜が成長することが確認された。
本実験例では、実施例1と同様の手順で、SnO2薄膜上にTiO2薄膜を形成した。但し、SnO2薄膜は、フッ素(F)ドープSnO2薄膜であり、膜厚は210〜390nmである。FドープSnO2薄膜は、F/Snモル比率が0.3である。
これらのサンプルについて、実施例1と同様の手順でC光源ヘイズ率を測定した。各サンプルについて、TiO2薄膜の形成前後のC光源ヘイズ率を図12に示した。図12から明らかなように、いずれのサンプルも、TiO2薄膜を形成した場合、C光源ヘイズ率が増大した。但し、C光源ヘイズ率の増加率(TiO2薄膜形成後のC光源ヘイズ率/TiO2薄膜形成後のC光源ヘイズ率)はサンプルによって異なる。
これらのサンプルについて、TiO2薄膜の形成前のSnO2薄膜の表面を原子間力顕微鏡(AFM)で観察したところ、結晶粒で構成されるSnO2薄膜の表面に存在する微細な凹凸パターンが異なることが明らかになった。この微細な凹凸パターンの違いが、TiO2薄膜形成後のC光源ヘイズ率に影響を及ぼしていると考えられる。本願発明者らは、この微細な凹凸パターンを定量化する方法として、凹凸がなす微小領域の傾斜を統計的に比較する手法、および平坦な平面に対する凹凸平面の表面積増加を統計的に比較する手法を用いた。具体的には以下の手順を実施した。
SnO2薄膜表面(X−Y平面)を二次元のメッシュで区切った各点の高さを画像処理したものとして、AFM像が得られる。AFM像を形成するZ(Xk,Yl)(k,lは自然数)座標データを使い、走査型プローブ顕微鏡用に開発されたナノスケール3D画像処理ソフトウェア「イメージメトロロジー社製 SPIPTM (Scanning Probe Image Processor)」により解析を行い、同ソフトウェアにより計算される値Sdq、すなわち、Root Mean Square Slope(二乗平均平方根勾配)および、Sdr、すなわち、Surface Area ratio(表面面積比)と、C光源ヘイズ率との関係を整理した。これらの関係を表したのが図13および14である。
図13から明らかなように、C光源ヘイズ率の増加率が最も小さかったサンプルはSdqが最も大きく、この値が低下するにつれてヘイズ率が増加する傾向である。また図14から明らかなように、C光源ヘイズ率の増加率が最も小さかったサンプルはSdrが最も大きく、この値が低下するにつれてヘイズ率が増加する傾向である。
図13および14において評価されたサンプル(A〜E)については、AFM測定から、SnO2薄膜表面のmaxPV値(測定値の最大高低差)と表面粗さ(二乗平均粗さ RMS)を求めた。SnO2薄膜表面のmaxPV値と表面粗さ(RMS)の振幅を図15に示した。図15から明らかなように、各サンプルにおいて、SnO2薄膜表面の表面粗さ(RMS)は同程度である。そのため、Sdq、すなわち、二乗平均平方根勾配が高い値であることは、SnO2薄膜表面を構成する結晶粒が小粒径であることを示している。また、Sdr、すなわち、表面面積比が高い値であることもSnO2薄膜表面を構成する結晶粒が小粒径であることと矛盾しない結果である。
本出願は、2013年11月19日出願の日本特許出願2013−238795および2014年4月1日出願の日本特許出願2014−075636に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
また、JIS R 3106:1998の内容はここに参照として取り込まれる。
Claims (12)
- 基板上に形成されたSnO2薄膜上に、常圧CVD法を用いてTiO2薄膜を形成する方法であって、原料ガスが、チタンテトライソプロピオキシド(TTIP)およびスズ塩化物を含み、前記スズ塩化物の量が、チタンテトライソプロピオキシド(TTIP)に対する濃度比(スズ塩化物(mol%)/TTIP(mol%))で0.02〜0.1である、TiO2薄膜の形成方法。
- 前記スズ塩化物の量が、チタンテトライソプロピオキシド(TTIP)に対する濃度比(スズ塩化物(mol%)/TTIP(mol%))で0.025〜0.08である、請求項1に記載のTiO2薄膜の形成方法。
- 前記スズ塩化物が、モノブチルスズトリクロライド(MBTC)または四塩化スズ(SnCl4)である、請求項1または2に記載のTiO2薄膜の形成方法。
- 前記基板が、ガラス基板であり、TiO2薄膜形成時の基板温度が520〜600℃である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のTiO2薄膜の形成方法。
- 前記SnO2薄膜が、ドーパントとしてフッ素(F)またはアンチモン(Sb)を含有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載のTiO2薄膜の形成方法。
- 前記基板と前記SnO2薄膜との間に、SiOx(0<x≦2)薄膜が形成されている、請求項1〜5のいずれか一項に記載のTiO2薄膜の形成方法。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載のTiO2薄膜の形成方法により得られる、ガラス基板上に、SnO2薄膜、および、TiO2薄膜がこの順に形成されたコーティングガラス。
- ガラス基板上に、SnO2薄膜、および、TiO2薄膜がこの順に形成されたコーティングガラスであって、前記SnO2薄膜の膜厚が200〜500nmであり、前記TiO2薄膜の膜厚が20〜60nmであり、C光源ヘイズ率が1%以下であり、TiO2薄膜形成前後での遮熱係数(Shading Coefficient:SC)の差(TiO2薄膜形成前のSC−TiO2薄膜形成後のSC)が0.04以上である、コーティングガラス。
- 前記ガラス基板と、前記SnO2薄膜と、の間に、膜厚40〜90nmのSiOx(0<x≦2)薄膜が形成されている、請求項8に記載のコーティングガラス。
- 前記SnO2薄膜表面に存在する凹凸がなす傾斜の二乗平均平方根の値が0.58以上である、請求項8または9に記載のコーティングガラス。
- 前記SnO2薄膜表面のうち、凹凸を含む表面の面積が、凹凸を含まない平坦な平面の面積よりも17%以上大きい、請求項8〜10のいずれか一項に記載のコーティングガラス。
- ESCA(X線光電子分光)により得られる、SnO2薄膜とTiO2薄膜との界面領域における、Ti元素およびSn元素の存在比の膜厚方向における変化が、2つ以上の変曲点を持たない分布曲線となる、請求項8〜11のいずれか一項に記載のコーティングガラス。
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