JP2000204476A - Manufacturing method of functionally graded material - Google Patents
Manufacturing method of functionally graded materialInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高度の真空度を必要とせず、大気圧近傍でプ
ラズマ放電を行うことにより、高速で薄膜を形成できる
傾斜機能材料の製造方法を提供する。
【解決手段】 大気圧近傍の圧力下で、一対の対向電極
間に基材を配置し、該対向電極間に電圧立ち上がり時間
が100μs以下、電界強度が1〜100kV/cmの
パルス状の電圧を印加して、放電プラズマ処理を行うに
当たり、上記印加する電圧の一サイクル中の最大値及び
最小値を、連続的に変化させる。
(57) [Problem] To provide a method of manufacturing a functionally gradient material capable of forming a thin film at high speed by performing plasma discharge near atmospheric pressure without requiring a high degree of vacuum. SOLUTION: Under a pressure close to the atmospheric pressure, a base material is arranged between a pair of opposed electrodes, and a pulse-shaped voltage having a voltage rise time of 100 μs or less and an electric field intensity of 1 to 100 kV / cm is applied between the opposed electrodes. In performing the discharge plasma treatment by applying the voltage, the maximum value and the minimum value in one cycle of the applied voltage are continuously changed.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、傾斜機能材料の製
造方法に関する。[0001] The present invention relates to a method for producing a functionally gradient material.
【0002】[0002]
【従来の技術】傾斜機能材料は新しい概念に基づく材料
であり、PVD、CVD等の気相合成法等を利用して製
造された傾斜機能材料は、電気・磁気、光学、化学、生
体・医学、航空・宇宙等の広い分野で応用が望まれてい
る。上記傾斜機能材料は、クラック防止や基材への密着
性の向上手段として効果的であることは公知である。そ
こで、近年、屈折率を連続的に変化させ新しい光学材料
への応用が報告されつつある。2. Description of the Related Art A functionally graded material is a material based on a new concept. Functionally graded materials manufactured by using a gas phase synthesis method such as PVD or CVD include electric / magnetic, optical, chemical, biological / medical. Applications are desired in a wide range of fields such as aviation and space. It is known that the functionally graded material is effective as a means for preventing cracks and improving the adhesion to a substrate. Therefore, in recent years, applications to new optical materials by continuously changing the refractive index have been reported.
【0003】また、カラーディスプレイの普及に伴い、
高い解像度が要求されており、光の干渉を利用した多層
の蒸着膜やCVD膜を被覆した反射防止機能が付与され
たものが実用化されている。しかし、これらの多層被覆
膜による反射防止膜は、その形成コストが高いため、限
られた高級品種のみに適用されているのが現状であり、
高性能の反射防止膜を低コストで得ることが課題となっ
ている。[0003] With the spread of color displays,
A high resolution is required, and a multi-layer deposited film utilizing light interference or a film coated with a CVD film and provided with an antireflection function has been put to practical use. However, antireflection coatings made of these multi-layer coatings are currently applied only to a limited number of high-grade products due to their high formation costs.
The challenge is to obtain a high-performance antireflection film at low cost.
【0004】例えば、プラスチック基材上にプラズマC
VD法でハードコート層を形成するにあたり、プラスチ
ック基材と接触する部位の屈折率が基材の屈折率と略等
しく、厚さ方向に向かって連続的に低下させることによ
り反射率を広域にわたり減少させる方法(特開平7─5
6002号公報)が提案されている。[0004] For example, a plasma C
In forming the hard coat layer by the VD method, the refractive index of the portion in contact with the plastic substrate is substantially equal to the refractive index of the substrate, and the reflectance is reduced over a wide area by continuously decreasing in the thickness direction. Method (Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-5)
No. 6002) has been proposed.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の方法
は、プラズマCVD法でハードコート層を形成するにあ
たり、高度の真空度が必要となり、量産化の妨げになる
ばかりでなく、長尺品に対応できないという欠点があ
り、かつ処理速度が遅いものであった。However, the above method requires a high degree of vacuum when forming a hard coat layer by the plasma CVD method, which not only hinders mass production, but also reduces the length of the product. There is a drawback that it cannot be handled, and the processing speed is slow.
【0006】さらに、大気圧近傍でプラズマ放電を行う
と、基材への損傷が大きいため、耐熱性の低い基材上へ
の薄膜形成には適用できなかった。Further, when plasma discharge is performed near the atmospheric pressure, the substrate is greatly damaged, so that it cannot be applied to the formation of a thin film on a substrate having low heat resistance.
【0007】本発明は上記の課題を解決し、高度の真空
度を必要とせず、大気圧近傍でプラズマ放電を行うこと
により、高速で薄膜を形成できる傾斜機能材料の製造方
法を提供することを目的とする。An object of the present invention is to provide a method for producing a functionally gradient material which can form a thin film at a high speed by performing a plasma discharge near atmospheric pressure without requiring a high degree of vacuum and solving the above problems. Aim.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明の傾斜機能材料の
製造方法は、大気圧近傍の圧力下で、一対の対向電極間
に基材を配置し、該対向電極間に電圧立ち上がり時間が
100μs以下、電界強度が1〜100kV/cmのパ
ルス状の電圧を印加して、放電プラズマ処理を行うに当
たり、上記印加する電圧の一サイクル中の最大値及び最
小値を、連続的に変化させるものである。According to the method for producing a functionally gradient material of the present invention, a substrate is placed between a pair of opposed electrodes under a pressure near atmospheric pressure, and a voltage rise time between the opposed electrodes is 100 μs. Hereinafter, when performing a discharge plasma treatment by applying a pulsed voltage having an electric field intensity of 1 to 100 kV / cm, the maximum value and the minimum value in one cycle of the applied voltage are continuously changed. is there.
【0009】本発明において大気圧近傍の圧力下とは、
100〜800Torrの圧力下を指す。とりわけ、圧
力調整が容易で、装置が簡便になる700〜780To
rrの範囲が好ましい。In the present invention, "under a pressure near the atmospheric pressure" means
Refers to a pressure of 100 to 800 Torr. In particular, the pressure can be easily adjusted and the device can be simplified.
The range of rr is preferred.
【0010】本発明において、一対の対向電極として
は、銅、アルミニウム等の金属単体、ステンレス、真鍮
等の合金、金属間化合物等からなるものが挙げられる。
上記対向電極は、電界集中によるアーク放電の発生を避
けるために、対向電極間の距離が略一定となる構造であ
ることが好ましい。この条件を満たす電極構造として
は、平行平板型、円筒対向平板型、球対向平板型、双曲
面対向平板型、同軸円筒型構造等が挙げられる。In the present invention, examples of the pair of counter electrodes include those composed of a single metal such as copper and aluminum, alloys such as stainless steel and brass, and intermetallic compounds.
It is preferable that the counter electrode has a structure in which the distance between the counter electrodes is substantially constant in order to avoid occurrence of arc discharge due to electric field concentration. Examples of an electrode structure that satisfies this condition include a parallel plate type, a cylindrical opposed plate type, a spherical opposed plate type, a hyperboloid opposed plate type, and a coaxial cylindrical structure.
【0011】本発明において、当該電極の対向面の少な
くとも一方に固体誘電体が設置されている装置において
行うのが好ましいわれる。この場合プラズマが発生する
部位は、上記電極の一方に固体誘電体を設置した場合
は、固体誘電体と電極の間、上記電極の双方に固体誘電
体を設置した場合は、固体誘電体同士の間の空間であ
る。[0011] In the present invention, it is preferable to use an apparatus in which a solid dielectric is provided on at least one of the opposing surfaces of the electrodes. In this case, the portion where the plasma is generated is located between the solid dielectric and the electrode when a solid dielectric is provided on one of the electrodes, and between the solid dielectrics when the solid dielectric is provided on both of the electrodes. The space between them.
【0012】上記固体誘電体の材質としては、ポリテト
ラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート等の
プラスチック、ガラス、二酸化珪素、酸化アルミニウ
ム、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン等の金属酸化
物、チタン酸バリウム等の複酸化物等が挙げられる。Examples of the material of the solid dielectric include plastics such as polytetrafluoroethylene and polyethylene terephthalate, glass, metal oxides such as silicon dioxide, aluminum oxide, zirconium dioxide and titanium dioxide, and double oxides such as barium titanate. And the like.
【0013】上記電極間の距離は、固体誘電体の厚さ、
印加電圧の大きさ、プラズマを利用する目的等を考慮し
て決定されるが、1〜50mmであることが好ましい。
1mm未満では、電極間の間隔を置いて設置するのに充
分でない。50mmを超えると、均一な放電プラズマを
発生させることが困難である。The distance between the electrodes is determined by the thickness of the solid dielectric,
It is determined in consideration of the magnitude of the applied voltage, the purpose of utilizing the plasma, and the like, and is preferably 1 to 50 mm.
If it is less than 1 mm, it is not enough to place the electrodes at intervals. If it exceeds 50 mm, it is difficult to generate uniform discharge plasma.
【0014】本発明においては、上記電極間に印加され
る電界がパルス化されたものであり電圧立ち上がり時間
が100μs以下、電界強度が1〜100kV/cmと
なされ、印加電圧の1サイクル中の最大値及び最小値が
連続的に変化する。In the present invention, the electric field applied between the electrodes is pulsed, the voltage rise time is 100 μs or less, the electric field intensity is 1 to 100 kV / cm, and the maximum in one cycle of the applied voltage. The value and the minimum value change continuously.
【0015】図1に、本発明に使用されるパルス電圧波
形の一例を示す。(a)は印加直後(b)は30秒後、
(c)は1分後の状態を示すものであり、(a)から
(b)を経て、(c)となるまで連続的に変化してい
る。FIG. 1 shows an example of a pulse voltage waveform used in the present invention. (A) is immediately after application (b) is after 30 seconds,
(C) shows the state after one minute, and changes continuously from (a) through (b) to (c).
【0016】本発明におけるパルス電圧波形は、ここで
挙げた波形に限定されないが、パルスの立ち上がり時間
が短いほどプラズマ発生の際の処理用ガスの電離が効率
よく行われる。パルスの立ち上がり時間(Vp+になる
までの時間) が100μsを超えると放電状態がアーク
に移行しやすく不安定なものとなり、パルス電界による
高密度プラズマ状態を期待できなくなる。また、立ち上
がり時間は速いほうがよいが、常圧でプラズマが発生す
る程度の大きさの電界強度を有し、かつ、立ち上がり時
間が速い電界を発生させる装置には制約があり、現実的
には40ns未満の立ち上がり時間のパルス電界を実現
することは困難である。より好ましくは立ち上がり時間
が50ns〜5μsである。なお、ここでいう立ち上が
り時間とは、電圧変化が連続して正である時間を指すも
のとする。The pulse voltage waveform in the present invention is not limited to the above-mentioned waveform, but the shorter the rise time of the pulse, the more efficient the ionization of the processing gas during plasma generation. If the rise time of the pulse (the time until it reaches Vp + ) exceeds 100 μs, the discharge state tends to shift to an arc and becomes unstable, so that a high-density plasma state due to the pulse electric field cannot be expected. Further, it is better that the rise time is fast. However, there is a limit to a device that has an electric field intensity large enough to generate plasma at normal pressure and generates an electric field with a fast rise time. It is difficult to achieve a pulsed electric field with a rise time of less than. More preferably, the rise time is 50 ns to 5 μs. Here, the rise time refers to a time during which the voltage change is continuously positive.
【0017】また、パルス電界の立ち下がり時間も急峻
であることが好ましく、立ち上がり時間と同様の100
μs以下のタイムスケールであることが好ましい。パル
ス電界発生技術によっても異なるが、例えば、本発明の
実施例で使用した電源装置では、立ち上がり時間と立ち
下がり時間が同じ時間に設定できる。It is preferable that the fall time of the pulse electric field is also steep.
It is preferable that the time scale is less than μs. For example, in the power supply device used in the embodiment of the present invention, the rise time and the fall time can be set to the same time, although it differs depending on the pulse electric field generation technique.
【0018】さらに、パルス波形、立ち上がり時間、周
波数の異なるパルスを用いて変調を行ってもよい。Further, modulation may be performed using pulses having different pulse waveforms, rise times, and frequencies.
【0019】パルス電界の周波数は、0.5kHz〜1
00kHzであることが好ましい。0.5kHz未満で
あるとプラズマ密度が低いため処理に時間がかかりす
ぎ、100kHzを超えるとアーク放電が発生しやすく
なる。より好ましくは、1kHz以上であり、このよう
な高周波数のパルス電界を印加することにより、処理速
度を大きく向上させることができる。The frequency of the pulse electric field is 0.5 kHz to 1
Preferably, it is 00 kHz. If the frequency is less than 0.5 kHz, the plasma density is low, so that it takes too much time for the treatment. If the frequency exceeds 100 kHz, arc discharge is likely to occur. More preferably, the frequency is 1 kHz or more. By applying such a high-frequency pulsed electric field, the processing speed can be greatly improved.
【0020】また、上記パルス電界におけるパルス継続
時間は、1〜1000μsであることが好ましい。1μ
s未満であると放電が不安定なものとなり、1000μ
sを超えるとアーク放電に移行しやすくなる。より好ま
しくは、3μs〜200μsである。ここで、ひとつの
パルス継続時間とは、図2中に例を示してあるが、O
N、OFFの繰り返しからなるパルス電界における、パ
ルスが連続する時間をいう。図2(a)のような間欠型
のパルスでは、パルス継続時間はパルス幅時間と等しい
が、図2(b)のような波形のパルスでは、パルス幅時
間とは異なり、一連の複数のパルスを含んだ時間をい
う。The pulse duration in the above-mentioned pulse electric field is preferably 1 to 1000 μs. 1μ
s, the discharge becomes unstable, and
If it exceeds s, it is easy to shift to arc discharge. More preferably, it is 3 μs to 200 μs. Here, one pulse duration is an example shown in FIG.
It refers to the time during which a pulse is continuous in a pulse electric field composed of N and OFF repetitions. In the case of the intermittent pulse as shown in FIG. 2A, the pulse duration is equal to the pulse width time, but in the case of the pulse having the waveform as shown in FIG. Means time including
【0021】さらに、放電を安定させるためには、放電
時間1ms内に、少なくとも1μs継続するOFF時間
を有することが好ましい。Further, in order to stabilize the discharge, it is preferable to have an OFF time lasting at least 1 μs within 1 ms of the discharge time.
【0022】本発明において、上記放電電圧を印加する
にあたり、印加する電圧の一サイクル中の最大値及び最
小値を、連続的に変化させるものである。また、パルス
電圧の印加において、直流を重畳してもよい。In the present invention, when applying the discharge voltage, the maximum value and the minimum value in one cycle of the applied voltage are changed continuously. In applying the pulse voltage, a direct current may be superimposed.
【0023】図3に、このようなパルス電界を印加する
際の電源のブロック図を示す。さらに、図4に、電源の
等価回路図を示す。図4にSWと記されているのはスイ
ッチとして機能する半導体素子である。上記スイッチと
して500ns以下のターンオン時間及びターンオフ時
間を有する半導体素子を用いることにより、上記のよう
な電界強度が1〜100kV/cmであり、かつ、パル
スの立ち上がり時間及び立ち下がり時間が100μs以
下であるような高電圧かつ高速のパルス電界を実現する
ことができる。FIG. 3 shows a block diagram of a power supply when such a pulsed electric field is applied. FIG. 4 shows an equivalent circuit diagram of the power supply. In FIG. 4, SW is a semiconductor element functioning as a switch. By using a semiconductor element having a turn-on time and a turn-off time of 500 ns or less as the switch, the electric field strength as described above is 1 to 100 kV / cm, and the rise time and fall time of the pulse are 100 μs or less. Such a high voltage and high speed pulsed electric field can be realized.
【0024】以下、図4の等価回路図を参照して、電源
の原理を簡単に説明する。+Eは、正極性の直流電圧供
給部、−Eは、負極性の直流電圧供給部である。SW1
〜4は、上記のような高速半導体素子から構成されるス
イッチ素子である。D1〜4はダイオードを示してい
る。I1 〜I4 は電流の流れ方向を表している。Hereinafter, the principle of the power supply will be briefly described with reference to the equivalent circuit diagram of FIG. + E is a positive DC voltage supply unit, and -E is a negative DC voltage supply unit. SW1
Reference numerals 4 to 4 denote switch elements composed of the high-speed semiconductor elements as described above. D1 to D4 indicate diodes. I 1 to I 4 indicate the direction of current flow.
【0025】第一に、SW1をONにすると、正極性の
負荷が電流I1 の流れ方向に充電する。次に、SW1が
OFFになってから、SW2を瞬時にONにすることに
より、充電された電荷が、SW2とD4を通ってI3 の
方向に充電される。また次に、SW2がOFFになって
から、SW3をONにすると、負極性の負荷が電流I2
の流れ方向に充電する。次に、SW3がOFFになって
から、SW4を瞬時にONにすることにより、充電され
た電荷が、SW4とD2を通ってI4 の方向に充電され
る。[0025] First, when turned ON SW1, load of the positive polarity is charged in the flow direction current I 1. Then, the SW1 is turned OFF, by turning ON the SW2 instantaneously, the electric charge charged is charged in the direction of I 3 through SW2 and D4. Next, when the switch SW3 is turned on after the switch SW2 is turned off, the load having the negative polarity causes the current I 2
Charge in the direction of flow. Next, the SW3 is turned OFF, by turning ON the SW4 instantaneously, the electric charge charged is charged in the direction of I 4 through SW4 and D2.
【0026】この際、電源+E、−Eに並列に、可変抵
抗R1,R2 を設けておくことにより、ピーク電圧を連続
的に変化させることができる。上記一連の操作を繰り返
し、図1(a)、(b)、(c)の出力パルスを得るこ
とができる。この回路の利点は、負荷のインピーダンス
が高い場合であっても、充電されている電荷をSW2と
D4又はSW4とD2を動作させることによって確実に
放電することができる点、及び、高速ターンオンのスイ
ッチ素子であるSW1、SW3を使って高速に充電を行
うことができる点にあり、このため、図1のように立ち
上がり時間、立ち下がり時間の非常に速いパルス信号を
得ることができる。At this time, by providing variable resistors R 1 and R 2 in parallel with the power supplies + E and −E, the peak voltage can be changed continuously. By repeating the above series of operations, the output pulses shown in FIGS. 1A, 1B, and 1C can be obtained. The advantage of this circuit is that even if the load impedance is high, the charged electric charge can be reliably discharged by operating SW2 and D4 or SW4 and D2, and the switch of high-speed turn-on. High-speed charging can be performed by using the elements SW1 and SW3, so that a pulse signal having a very fast rise time and fall time as shown in FIG. 1 can be obtained.
【0027】上記の方法により得られる放電において、
対向電極間の放電電流密度は、0.2〜300mA/c
m2 となされていることが好ましい。In the discharge obtained by the above method,
The discharge current density between the counter electrodes is 0.2 to 300 mA / c.
m 2 is preferred.
【0028】上記放電電流密度とは、放電により電極間
に流れる電流値を、放電空間における電流の流れ方向と
直交する方向の面積で除した値をいい、電極として平行
平板型のものを用いた場合には、その対向面積で上記電
流値を除した値に相当する。本発明では電極間にパルス
電界を形成するため、パルス状の電流が流れるが、この
場合にはそのパルス電流の最大値、つまり図1中Vp+
〜Vp- の値を、上記の面積で除した値をいう。The discharge current density is a value obtained by dividing a value of a current flowing between electrodes by discharge by an area of a discharge space in a direction orthogonal to a direction of current flow, and a parallel plate type electrode is used. In this case, it corresponds to a value obtained by dividing the current value by the facing area. In the present invention, a pulse-like current flows to form a pulse electric field between the electrodes. In this case, the maximum value of the pulse current, that is, Vp + in FIG.
~Vp - value of refers to a value obtained by dividing the above area.
【0029】大気圧近傍の圧力下でのグロー放電では、
下記に示すように、放電電流密度がプラズマ密度を反映
し、表面処理効果を左右する値であることが、本発明者
らの研究により明らかにされており、電極間の放電電流
密度を前記した0.2〜300mA/cm2 の範囲とす
ることにより、均一な放電プラズマを発生して良好な表
面処理を行うことができる。In a glow discharge under a pressure near the atmospheric pressure,
As shown below, it has been revealed by the present inventors that the discharge current density reflects the plasma density and is a value that affects the surface treatment effect, and the discharge current density between the electrodes has been described above. When the content is in the range of 0.2 to 300 mA / cm 2 , uniform surface discharge plasma can be generated and good surface treatment can be performed.
【0030】本発明において使用される基材としては、
ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカ
ーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラ
フルオロエチレン、アクリル樹脂等のプラスチック、ガ
ラス、セラミック、金属等が挙げられる。基材の形状と
しては、板状、フィルム状等のものが挙げられるが、特
にこれらに限定されない。本発明によれば、様々な形状
を有する基材の処理に容易に対応することができる。The substrate used in the present invention includes
Examples thereof include plastics such as polyethylene, polypropylene, polystyrene, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polytetrafluoroethylene, and acrylic resin, glass, ceramic, and metal. Examples of the shape of the substrate include a plate shape and a film shape, but are not particularly limited thereto. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can respond | correspond easily to the process of the base material which has various shapes.
【0031】本発明においては、放電プラズマ処理を行
うに当たり、処理時間中に処理用ガスを基材に供給す
る。In the present invention, when performing the discharge plasma processing, a processing gas is supplied to the substrate during the processing time.
【0032】上記処理用ガスは、放電プラズマ発生空間
で励起分解し、基材上に薄膜を形成するものであれば特
に限定されず、この選択により任意の処理が可能であ
る。The above-mentioned processing gas is not particularly limited as long as it excites and decomposes in the discharge plasma generation space to form a thin film on the base material.
【0033】上記処理用ガスとして、金属含有ガスが好
適に使用できる。金属としては、例えば、Al、As、
Bi、B、Ca、Cd、Cr、Co、Cu、Ga、G
e、Au、In、Ir、Hf、Fe、Pb、Li、N
a、Mg、Mn、Hg、Mo、Ni、P、Pt、Po、
Rh、Sb、Se、Si、Sn、Ta、Te、Ti、
V、W、Y、Zn、Zr等の金属が挙げられ、該金属を
含有する処理用ガスとしては、金属有機化合物、金属−
ハロゲン化合物、金属−水素化合物、金属−ハロゲン化
合物、金属アルコキシド等の処理用ガスが挙げられる。
これらは単独で使用されてもよいし、2種類以上併用さ
れてもよい。As the processing gas, a metal-containing gas can be suitably used. As the metal, for example, Al, As,
Bi, B, Ca, Cd, Cr, Co, Cu, Ga, G
e, Au, In, Ir, Hf, Fe, Pb, Li, N
a, Mg, Mn, Hg, Mo, Ni, P, Pt, Po,
Rh, Sb, Se, Si, Sn, Ta, Te, Ti,
Metals such as V, W, Y, Zn, Zr and the like can be mentioned, and as a processing gas containing the metal, a metal organic compound, a metal-
Processing gases such as a halogen compound, a metal-hydrogen compound, a metal-halogen compound, and a metal alkoxide are exemplified.
These may be used alone or in combination of two or more.
【0034】上記金属がSiである場合、例えば、テト
ラメチルシラン〔Si(CH3)4]、ジメチルシラン〔S
i(CH3)2H2]、テトラエチルシラン〔Si(C2H5)
4]等の有機金属化合物;4フッ化珪素(SiF4)、4塩
化珪素(SiCl4)、2塩化珪素(SiH2Cl2)等の
金属ハロゲン化合物;モノシラン(SiH4)、ジシラン
(SiH3SiH3)、トリシラン(SiH3SiH2Si
H3)等の金属水素化合物;テトラメトキシシラン〔Si
(OCH3)4]、テトラエトキシシラン〔Si(OC
2H5)4]、トリエトキシメチルシラン〔SiCH3(OC2
H5)] 等の金属アルコキシドなどが挙げられる。これら
は単独で使用されてもよいし、2種類以上併用されても
よい。When the metal is Si, for example, tetramethylsilane [Si (CH 3 ) 4 ], dimethylsilane [S
i (CH 3 ) 2 H 2 ], tetraethylsilane [Si (C 2 H 5 )
4 ] and the like; metal halide compounds such as silicon tetrafluoride (SiF 4 ), silicon chloride (SiCl 4 ) and silicon chloride (SiH 2 Cl 2 ); monosilane (SiH 4 ), disilane (SiH 3 ) SiH 3 ), trisilane (SiH 3 SiH 2 Si)
H 3 ) and other metal hydrogen compounds; tetramethoxysilane [Si
(OCH 3 ) 4 ], tetraethoxysilane [Si (OC
2 H 5 ) 4 ], triethoxymethylsilane [SiCH 3 (OC 2
H 5 )] and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
【0035】上記金属がTiである場合、例えば、テト
ラメチルチタン〔Ti(CH3)4]、ジメチルチタン〔T
i(CH3)2H2]、テトラエチルチタン〔Ti(C2H5)
4]等の有機金属化合物;4フッ化珪素(TiF4)、4塩
化珪素(TiCl4)、2塩化珪素(TiH2Cl2)等の
金属ハロゲン化合物;モノチタン(TiH4)、ジチタン
(TiH3TiH3)、トリチタン(TiH3TiH2Ti
H3)等の金属水素化合物;テトラメトキシチタン〔Ti
(OCH3)4]、テトライソプロポキシチタン〔Ti(O
CH3CHCH3)4]等の金属アルコキシドなどが挙げら
れる。これらは単独で使用されてもよいし、2種類以上
併用されてもよい。上記の金属含有ガスに於いて、安全
性を考慮して、金属アルコキシドや金属ハロゲン化合物
などの常温、大気中で発火、爆発など危険性がないもの
が好ましく、腐食性、有害ガスの発生の点から、金属ア
ルコキシドが好適に使用される。When the metal is Ti, for example, tetramethyl titanium [Ti (CH 3 ) 4 ], dimethyl titanium [T
i (CH 3 ) 2 H 2 ], tetraethyl titanium [Ti (C 2 H 5 )
4] an organometallic compound such as; 4 silicon fluoride (TiF 4), 4 silicon tetrachloride (TiCl 4), metal halide compounds such as 2 silicon tetrachloride (TiH 2 Cl 2); Mono titanium (TiH 4), Jichitan (TiH 3 TiH 3 ), trititanium (TiH 3 TiH 2 Ti)
H 3) metal hydride such as; tetramethoxy titanium [Ti
(OCH 3 ) 4 ], tetraisopropoxy titanium [Ti (O
CH 3 CHCH 3 ) 4 ]. These may be used alone or in combination of two or more. Among the above-mentioned metal-containing gases, in consideration of safety, it is preferable that there is no danger of ignition or explosion in the atmosphere, such as metal alkoxides and metal halides, at normal temperature and in the air. Thus, metal alkoxides are preferably used.
【0036】上記の金属含有ガスが気体であれば、放電
空間にそのまま導入することができるが、液体、固体状
であれば、気化装置を経て放電空間に導入すればよい。
このような処理用ガスを用いることによりSiO2 、T
iO2 、SnO2 等の金属酸化物薄膜を形成させ、基材
表面に電気的、光学的機能を与えることが出来る。If the metal-containing gas is a gas, it can be introduced into the discharge space as it is. If it is liquid or solid, it can be introduced into the discharge space via a vaporizer.
By using such a processing gas, SiO 2 , T
By forming a metal oxide thin film such as iO 2 or SnO 2 , electrical and optical functions can be given to the substrate surface.
【0037】経済性及び安全性の観点から、上記処理用
ガス単独の雰囲気よりも、希釈ガスで薄められた雰囲気
中で処理を行うことが好ましい。希釈ガスとしては、例
えば、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン等の希ガ
ス、窒素ガス等が挙げられ、これらは単独で使用されて
もよいし、2種類以上併用されてもよい。処理用ガスが
液体で、沸点が高い場合には、加熱するか、超音波を利
用した気化器で気化し、大量の希釈ガスで希釈して用い
るのが好適である。From the viewpoint of economy and safety, it is preferable to perform the treatment in an atmosphere diluted with a diluent gas, rather than in the atmosphere of the treatment gas alone. Examples of the diluting gas include rare gases such as helium, neon, argon, and xenon, and nitrogen gas. These may be used alone or in combination of two or more. When the processing gas is a liquid and has a high boiling point, it is preferable to use it after heating or vaporizing it with a vaporizer using ultrasonic waves and diluting it with a large amount of diluting gas.
【0038】なお、希釈ガスとしては電子を多く有する
化合物のほうがプラズマ密度を高め高速処理を行う上で
有利である。しかし、アルゴン又は窒素が、入手が容易
で、安価である点で好適である。又、希釈ガスを用いる
場合、処理用ガスの濃度は0.01〜10体積%である
ことが好ましい。また、処理用ガスとして金属アルコキ
シドを使用する場合には、有機成分が少ない緻密な金属
酸化物薄膜を形成するためには、酸素ガスを添加しても
よい。As a diluent gas, a compound having more electrons is more advantageous in increasing the plasma density and performing high-speed processing. However, argon or nitrogen is preferred in that it is easily available and inexpensive. When a diluent gas is used, the concentration of the processing gas is preferably 0.01 to 10% by volume. When a metal alkoxide is used as a processing gas, an oxygen gas may be added in order to form a dense metal oxide thin film having a small amount of organic components.
【0039】さらに、上記処理用ガスとしてフッ素含有
化合物ガスを用いることによって、基材表面にフッ素含
有重合膜を形成させて表面エネルギーを低くし、撥水性
表面を得ることが出来る。Further, by using a fluorine-containing compound gas as the above-mentioned processing gas, a fluorine-containing polymer film can be formed on the surface of the substrate to lower the surface energy and obtain a water-repellent surface.
【0040】また、分子内に親水性基と重合性不飽和結
合を有するモノマーの雰囲気下で処理を行うことによ
り、親水性の重合膜を堆積させることもできる。Further, by performing the treatment in an atmosphere of a monomer having a hydrophilic group and a polymerizable unsaturated bond in the molecule, a hydrophilic polymer film can be deposited.
【0041】本発明で得られる傾斜機能材料を、光学用
途に利用する場合には、上記の処理用ガスとして上記の
中からTiO2,ZrO2 などの高屈折率の膜を形成する
処理用ガス、SiO2,Al2O3,フッ素系薄膜などの低
屈折率の膜を形成する処理用ガスを、上気した処理用ガ
スから適宜選択して用いればよい。When the functionally graded material obtained in the present invention is used for optical applications, a gas for forming a high-refractive-index film such as TiO 2 or ZrO 2 may be used as the above-mentioned processing gas. A processing gas for forming a low-refractive-index film such as SiO 2, Al 2 O 3, or a fluorine-based thin film may be appropriately selected from the above-mentioned processing gases.
【0042】(作用)本発明の傾斜機能材料の製造方法
は、大気圧近傍の圧力下で、一対の対向電極間に基材を
配置し、該対向電極間に電圧立ち上がり時間が100μ
s以下、電界強度が1〜100kV/cmのパルス状の
電圧を印加して、放電プラズマ処理を行うものであるか
ら、パルス化された電界を印加することにより、アーク
放電に移行する前に放電を止め、再び放電を開始すると
いうサイクルが実現されていると考えられ、ヘリウム等
のプラズマ放電状態からアーク放電状態に至る時間が長
い成分を含有しない雰囲気において、プラズマ発生空間
中に存在する気体の種類を問わず、安定して放電プラズ
マを発生させることが可能となる。さらに急峻な電圧印
加により、効率よく反応ガスを分解することができる。(Function) In the method for producing a functionally gradient material according to the present invention, a substrate is placed between a pair of opposed electrodes under a pressure near atmospheric pressure, and a voltage rise time between the opposed electrodes is 100 μm.
Since a discharge plasma treatment is performed by applying a pulse-like voltage having an electric field intensity of 1 to 100 kV / cm or less, discharge before transition to arc discharge is performed by applying a pulsed electric field. It is considered that the cycle of stopping the discharge and restarting the discharge has been realized, and in an atmosphere that does not contain a component that has a long time from the plasma discharge state such as helium to the arc discharge state, the gas existing in the plasma generation space is not included. Regardless of the type, it is possible to stably generate discharge plasma. The reaction gas can be efficiently decomposed by the steep voltage application.
【0043】さらに本発明によれば、印加する電圧の一
サイクル中の最大値及び最小値を、連続的に変化させる
ものであるから、例えば基材を、設置された下部電極上
に配置し、処理用ガスをTiO2,SiO2などの膜を形
成する処理用ガスを、選択して用いた場合、上部電極の
極性が正に偏ると、金属酸化物イオンが陽極(上部電
極)側に集中するため、基材上への成膜速度が遅くな
り、得られる膜の緻密性が低く、多孔質な膜が形成され
やすく、上部電極の極性が負に偏ると、金属酸化物イオ
ンが下部電極側に集中するため、基材上への成膜速度が
速くなり、得られる膜の緻密性が高くなる。よって厚み
方向に膜質が連続して傾斜的に変化し、明確な界面が存
在しない膜が基材上に形成された、傾斜機能材料を得る
ことができる。Further, according to the present invention, since the maximum value and the minimum value in one cycle of the applied voltage are continuously changed, for example, the base material is arranged on the installed lower electrode, When a processing gas for forming a film such as TiO 2 and SiO 2 is selectively used as a processing gas, if the polarity of the upper electrode is biased positively, metal oxide ions concentrate on the anode (upper electrode) side. Therefore, the film formation rate on the base material is slowed down, the resulting film has low density, a porous film is easily formed, and when the polarity of the upper electrode is negatively biased, the metal oxide ions are deposited on the lower electrode. Since the film is concentrated on the side, the film forming speed on the base material is increased, and the denseness of the obtained film is increased. Therefore, it is possible to obtain a functionally graded material in which the film quality changes continuously and gradiently in the thickness direction and a film having no clear interface is formed on the substrate.
【0044】[0044]
【実施例】本発明を実施例をもってさらに詳しく説明す
る。なお、以下の実施例では、図3の等価回路図による
電源(ハイデン研究所社製、半導体素子:IXYS社
製、型番TO−247ADを使用)を用いた。EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to Examples. In the following examples, a power supply (a semiconductor device: manufactured by Heiden Laboratories, a semiconductor device: manufactured by IXYS, model number TO-247AD) according to the equivalent circuit diagram of FIG. 3 was used.
【0045】図6は、本発明の傾斜機能材料を製造する
ための装置の一例を示した模式断面図である。FIG. 6 is a schematic sectional view showing an example of an apparatus for producing a functionally gradient material according to the present invention.
【0046】図6に示すように、本発明の傾斜機能材料
を製造するための装置は、容器2の中に、1対の対向電
極3、4が設けられ、上部電極3はパルス電源1に電気
的に接続され、下部電極4は接地されており、上部電極
3と下部電極4の間にパルス電圧が印加されるようにな
されている。基材5は、下部電極4上に載置され、上記
パルス電圧によりプラズマが発生するようになされてい
る。As shown in FIG. 6, the apparatus for producing a functionally graded material according to the present invention is provided with a pair of counter electrodes 3 and 4 in a container 2. It is electrically connected, the lower electrode 4 is grounded, and a pulse voltage is applied between the upper electrode 3 and the lower electrode 4. The substrate 5 is placed on the lower electrode 4 so that plasma is generated by the pulse voltage.
【0047】上部電極3と、基材5の表面には、処理用
ガス導入部6が設けられ、処理用ガス供給部7、希釈ガ
ス供給部72から、流量制御部8によりそれぞれのガス
混合比率を所定の値とするようになされている。A processing gas introduction unit 6 is provided on the upper electrode 3 and the surface of the base material 5. The processing gas supply unit 7, the dilution gas supply unit 72, and the gas mixing ratio are controlled by the flow control unit 8. Is set to a predetermined value.
【0048】図6に示した装置において、上部電極3と
下部電極4(SUS304製、直径80mm、厚み10
mm)のそれぞれの対向面に、固体誘電体として8重量
%の酸化イットリウムを含むジルコニウムの溶射膜(比
誘電率16、膜圧500μm)が密着形成されているも
のを用いた。上部電極3と下部電極4の距離は3mmと
し、基材5として5μmの多官能アクリル系ハードコー
ト剤(大日精化社製、品番「EXF−37」)からなる
皮膜が形成された厚み80μmのトリアセチルセルロー
スを下部電極4上に載置した。In the apparatus shown in FIG. 6, an upper electrode 3 and a lower electrode 4 (made of SUS304, diameter 80 mm, thickness 10
mm), a sprayed film of zirconium containing 8% by weight of yttrium oxide (relative dielectric constant: 16, film thickness: 500 μm) was used as a solid dielectric in close contact with each other. The distance between the upper electrode 3 and the lower electrode 4 is 3 mm, and the thickness of the 80 μm-thick film on which a film made of a 5 μm polyfunctional acrylic hard coat agent (manufactured by Dainichi Seika Co., Ltd .; Triacetyl cellulose was placed on the lower electrode 4.
【0049】次いで、容器2内を1Torrになるまで
油回転ポンプ(図示せず)で排気した後、アルゴンガス
を、760Torrになるまで導入した。次に、テトラ
イソプロポキシチタンを処理用ガス供給部7から0.5
体積%になるように、3SLMのアルゴンガスで希釈
し、処理用ガス導入部6より、上部電極3と基材5の間
に導入し、上部電極3と下部電極4間に、図1(a)に
示した、立ち上がり速度1μs、周波数2kHzのパル
ス電圧をパルス電源1より印加し、放電プラズマを発生
させた。Next, the inside of the container 2 was evacuated with an oil rotary pump (not shown) until the pressure reached 1 Torr, and argon gas was introduced until the pressure reached 760 Torr. Next, tetraisopropoxy titanium was supplied from the processing gas supply unit
The mixture is diluted with 3 SLM of argon gas so that the volume ratio becomes 3%, and introduced between the upper electrode 3 and the base material 5 from the processing gas introduction unit 6, and between the upper electrode 3 and the lower electrode 4 as shown in FIG. 2), a pulse voltage having a rising speed of 1 μs and a frequency of 2 kHz was applied from the pulse power supply 1 to generate discharge plasma.
【0050】その後、図4に示した可変抵抗R1,R2を
調整しつつ、印加開始後30秒で図1(b)、1分で図
1(c)になるようにVp+−Vp-=4kVを維持した
まま、電圧を印加した。Thereafter, while adjusting the variable resistors R 1 and R 2 shown in FIG. 4, Vp + -Vp is obtained as shown in FIG. A voltage was applied while maintaining − = 4 kV.
【0051】その結果、多官能アクリル系ハードコート
皮膜上に3000Åの膜が形成された傾斜機能材料を得
た。得られた傾斜機能材料の表面の屈折率をエリプソメ
ーター(溝尻光学社製)で測定した結果、1.98であ
った。さらに形成された薄膜を1000Åずつアルゴン
ガス雰囲気下でプラズマ処理を行うことによりエッチン
グしながら、屈折率オージェ電子分光法で厚み方向に測
定した結果、夫々、1.95、1.92であった。As a result, a functionally graded material having a 3000 ° film formed on a polyfunctional acrylic hard coat film was obtained. As a result of measuring the refractive index of the surface of the obtained functionally graded material with an ellipsometer (manufactured by Mizojiri Optical Co., Ltd.), it was 1.98. Further, the thickness of the formed thin film was measured in the thickness direction by Auger electron spectroscopy while being etched by performing plasma treatment in an argon gas atmosphere at 1000 ° each. The results were 1.95 and 1.92, respectively.
【0052】[0052]
【発明の効果】本発明の傾斜機能材料の製造方法は上述
の如き構成となされているので、高度の真空度を必要と
せず、大気圧近傍でプラズマ放電を行うことにより、高
速で薄膜を形成できる。The method for producing a functionally graded material of the present invention is constructed as described above, so that a thin film can be formed at a high speed by performing a plasma discharge near the atmospheric pressure without requiring a high degree of vacuum. it can.
【図1】実施例において印加したパルス電圧を示すグラ
フであり、(a)は印加直後(b)は30秒後、(c)
は1分後の状態を示す。FIG. 1 is a graph showing a pulse voltage applied in an example, in which (a) is immediately after application, (b) is after 30 seconds, and (c).
Indicates a state after one minute.
【図2】パルス継続時間の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a pulse duration time.
【図3】パルス電界を発生させる電源のブロック図であ
る。FIG. 3 is a block diagram of a power supply that generates a pulse electric field.
【図4】パルス電界を発生させる電源の等価回路図であ
る。FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a power supply that generates a pulse electric field.
【図5】本発明の傾斜機能材料を製造するための装置の
一例を示した模式断面図である。FIG. 5 is a schematic sectional view showing an example of an apparatus for producing a functionally gradient material according to the present invention.
1 パルス電源 2 容器 3 上部電極 4 下部電極 5 基材 6 処理用ガス導入部 Reference Signs List 1 pulse power supply 2 container 3 upper electrode 4 lower electrode 5 base material 6 processing gas introduction part
Claims (1)
に基材を配置し、該対向電極間に電圧立ち上がり時間が
100μs以下、電界強度が1〜100kV/cmのパ
ルス状の電圧を印加して、放電プラズマ処理を行うに当
たり、上記印加する電圧の一サイクル中の最大値及び最
小値を、連続的に変化させることを特徴とする傾斜機能
材料の製造方法。1. A pulse-like voltage having a voltage rising time of 100 μs or less and an electric field intensity of 1 to 100 kV / cm between a pair of opposed electrodes under a pressure near atmospheric pressure. Wherein the maximum value and the minimum value of the applied voltage in one cycle are continuously changed in performing the discharge plasma treatment.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11005369A JP2000204476A (en) | 1999-01-12 | 1999-01-12 | Manufacturing method of functionally graded material |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP11005369A JP2000204476A (en) | 1999-01-12 | 1999-01-12 | Manufacturing method of functionally graded material |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000204476A true JP2000204476A (en) | 2000-07-25 |
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|---|---|
| JP (1) | JP2000204476A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003161808A (en) * | 2001-11-27 | 2003-06-06 | Konica Corp | Antireflection material and method for manufacturing the same |
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| JP2005508728A (en) * | 2001-03-29 | 2005-04-07 | カール − ツァイス − シュティフツング | Method for producing a coated plastic object |
-
1999
- 1999-01-12 JP JP11005369A patent/JP2000204476A/en active Pending
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