第1章 薄膜の内部応力 ～形成過程・微構造、応力の測定・緩和～

本章では、まず薄膜の形成過程と微構造について概括し、ついで、内部応力の測定法、内部応力の起源と緩和、内部応力と他の物性の関係について解説する。

• 1. 薄膜の形成過程
  • 1.1 形態学的モデル
  • 1.2 基板への吸着と核生成
  • 1.3 結晶粒の成長
• 2. 薄膜の微構造
• 3. 微構造と拡散係数
• 4. 膜の選択的結晶配向性
• 5. 応力の測定法
  • 5.1 膜結晶の格子歪み測定
  • 5.2 基板のたわみ測定
• 6. 内部応力の起源と緩和
  • 6.1 熱応力
  • 6.2 真応力
• 7. 金属膜の内部応力
• 8. 酸化物膜の応力
• 9. 非酸化物の応力
• 10. 応力と他の機械的物性の関係
  • 10.1 応力と硬度
  • 10.2 応力と密着力
  • 10.3 複合と多層化による応力制御

第2章 薄膜材料の硬さ ～試験法・ナノインデンテーション・解析～

硬さ試験法の概略を述べ、薄膜の硬さと他の物性との相関を議論する。ついで、薄膜材料の複合硬度から膜硬さの分離について、その解析的展開と実験例について紹介する。

• 1. 硬さ試験法
• 2. ナノインデンテーション
  • 2.1 硬さ測定
  • 2.2 ヤング率
• 3. 押し込み硬さと弾塑性変形
• 4. 複合硬度の解析
  • 4.1 押し込み限界深さの考察
  • 4.2 複合硬度式の導出
  • 4.3 複合硬度から膜硬度の分離

第3章 薄膜の密着力 ～メカニズム・環境劣化とその対策・測定・評価～

薄膜の密着のメカニズム、測定方法、スクラッチ密着力と複合硬度の関係などについて議論を試みる。

• 1. 密着のメカニズム
  • 1.1 金属薄膜/金属基板
  • 1.2 金属薄膜/プラスチック
  • 1.3 金属薄膜/セラミックス基板
  • 1.4 プラスチック薄膜/金属基板、ガラス基板
  • 1.5 硬質薄膜/金属
  • 1.6 硬質薄膜/プラスチック
• 2. 密着力の環境劣化とその対策
• 3. 密着力の測定
  • 3.1 引っ張り試験
  • 3.2 引きはがし法
  • 3.3 引っかき法
  • 3.4 スクラッチ試験
  • 3.5 マイクロスクラッチ試験
  • 3.6 スクラッチ密着力の基板硬度依存性
  • 3.7 スクラッチ密着力の膜厚依存性
  • 3.8 スクラッチ密着力に対する圧子先端半径の影響
• 4. 付着損傷と凝集破壊

第4章 薄膜の不良事例と対策/成膜条件最適化/高品質膜の作製 【ケーススタディ1～19】

【ケーススタディ1】 大きな変形に対してRobustな薄膜の形成 ～柔軟性のある樹脂基材に形成する金属・無機薄膜～

まず薄膜の密着性改善についての一般的な考え方を述べる。
次に、大きな変形を伴うような軟質基材に対して密着力が高く強靭性を持った薄膜の形成について、数ミクロン径のポリマー微粒子への金属メッキ薄膜、および柔軟なフィルム上への耐摩耗性無機薄膜の例を紹介する。

• 1. 剥離の機構と密着性改善に対する一般的な考え方
• 2. ポリマー微粒子に対する金属メッキ膜の密着性改善
  • 2.1 課題の背景
  • 2.2 基材表面近傍の構造改質による密着性改善
• 3. 柔軟なフィルム基材に対する耐摩耗性膜の密着性改善
  • 3.1 課題の背景
  • 3.2 薄膜のナノコンポジット化による密着性向上

【ケーススタディ2】 内部応力についての基礎的研究と内部応力の低減による製品の耐久性向上事例

内部応力の発生原因について述べ、次に筆者らのこれまで行ってきた内部応力に関する基礎的研究、内部応力の低減による製品の耐久性向上の事例について述べる。

• 1. 内部応力の発生原因
• 2. 内部応力の硬さ、密着性に及ぼす影響 (スズドープ酸化インジウム (ITO) 蒸着膜)
• 3. インライン型スパッタ装置により成膜された膜の内部応力
• 4. 建築用Low-E膜の耐久性の向上-酸化膜の内部応力低減

【ケーススタディ3】 TiN、TiAlN薄膜のX線残留応力測定

TiN薄膜およびTiN/TiAlN積層膜の残留応力測定例を取り上げる。
TiN薄膜について極薄膜の残留応力測定の例、加熱による残留応力の緩和挙動、さらに、シンクロトロン放射光の単色性に注目して、TiN/TiAlN積層構造からなるそれぞれの膜の残留応力測定の例を紹介する。

• 1. 膜の応力
• 2. 回折による多結晶材料の応力測定
  • 2.1 ランダム方位の結晶集合体の応力測定法
  • 2.2 X線応力測定法
  • 2.3 配向膜の応力測定
• 3. 応力測定
• 4. TiN膜の応力測定
  • 4.1 製膜条件が残留応力に及ぼす効果
  • 4.2 膜厚と残留応力の関係
  • 4.3 TiN膜の残留応力の緩和
• 5. TiN,TiAlN 多層膜の残留応力測定
  • 5.1 配向性の測定
  • 5.2 膜の残留応力測定

【ケーススタディ4】 スパッタ法による薄膜作製において生じる諸問題と対策

• 1. 基板上での不均一性発生の原因と対策
  • 1.1 高エネルギー粒子による不均一基板衝撃の現象に起因
  • 1.2 ターゲットから基板に至る間の輸送過程の現象に起因
  • 1.3スパッタ粒子の放出角度分布の現象に起因
• 2. 基板および膜へのダメージの生成原因とその抑制法
  • 2.1 2次電子による衝撃
  • 2.2 負イオン
  • 2.3 反跳ガス原子
  • 2.4 スパッタ放出粒子
  • 2.5 プラズマ中の荷電粒子
• 3. スパッタ時の不安定性の発生とその抑制法

【ケーススタディ5】 大面積ガラス基板への光学的機能薄膜の形成

50cm角を越えるサイズの板ガラスに光学的に機能する薄膜を形成する手法とその特徴をまとめる。さらに光学的薄膜に関して、そのアプリケーション、特徴、成膜の具体的事例についてまとめる。

• 1. 大面積ガラス基板への光学薄膜の成膜手法
  • 1.1 湿式成膜法
  • 1.2 真空成膜法
• 2. 光学薄膜とガラス基板
  • 2.1 ガラス基板の種類
    • 2.1.1 ソーダライム (石灰) ガラス
    • 2.1.2 低アルカリガラス
    • 2.1.3 無アルカリガラス
    • 2.1.4 高歪点ガラス
  • 2.2 ガラス基板に係わる不良事例
• 3. アプリケーション事例
  • 3.1 反射防止膜
  • 3.2 透明導電膜
  • 3.3 熱線反射膜
  • 3.4 HUDコンバイナー
  • 3.5 紫外線遮蔽膜
  • 3.6 プライバシー膜

【ケーススタディ6】 光学薄膜の不良事例と対策/成膜条件最適化/高品質膜の作製

光学薄膜の光学的、構造的な特性、およびこれらの特性の制御メカニズムとプロセスパラメータによる膜特性への影響を説明する。

• 1. 膜のコンタミによる膜表面の品質への影響
  • 1.1 蒸着前か蒸着中の工程による表面品質への影響
  • 1.2 イオンアシスト成膜時の異常放電による表面品質への影響
  • 1.3 膜内局部の結晶による膜表面品質への影響
  • 1.4 基板表面、清浄、搬送、蒸着中に膜表面品質への影響
  • 1.5 膜の柱状構造による表面品質への影響
• 2. プロセスパラメータによる膜特性への影響
  • 2.1 到達圧力
  • 2.2 成膜圧力および導入する反応ガスの分圧
  • 2.3 基板 (加熱) 温度および成膜中の基板温度上昇
  • 2.4 出発物質
  • 2.5 蒸着レート
  • 2.6 イオンの種類
  • 2.7 イオンのエネルギーおよび運動エネルギー
  • 2.8 イオン電流密度
  • 2.9 イオン照射時の入射角度および (運動) エネルギーの分布
  • 2.10 イオンを中和するためのニュートラライザの電流値

【ケーススタディ7】 光学薄膜の不良事例

光学薄膜の外観欠陥、光散乱、応力、組成・構造の評価項目について実際の不良事例 (実製品での不良) を中心にそれに関わる要因や評価手法について説明を行う。

• 1. 光学薄膜の外観欠陥と光散乱
• 2. 光学薄膜の応力
• 3. 光学薄膜の分光特性

【ケーススタディ8】 セラミックコーティング膜のゾル-ゲル成膜過程で発生する応力と亀裂について

ゲル膜の焼成過程で、実際にどのように応力が発生するのか、また、プロセス上のパラメータが具体的にどのように応力発生に影響を及ぼすかについて、実験に基づく検証は近年までほとんど行われてこなかった。本稿ではこれらについて筆者らのグループが加えた検討結果について説明する。

• 1. ゲル膜の昇温過程における応力のその場測定の意義と方法
  • 1.1 ゲル膜の昇降温過程における応力発生の概略
  • 1.2 ゲル膜の昇温過程における応力のその場測定の方法
• 2. 亀裂と応力の発生に影響を及ぼす種々のパラメータ
  • 2.1 昇温速度
  • 2.2 水の量
  • 2.3 触媒の種類
  • 2.4 CH3Si (OC2H5) 3
  • 2.5 キレート剤
  • 2.6 ポリビニルピロリドン (PVP)

【ケーススタディ9】 DLCの高機能化膜ICF (Intrinsic Carbon Film:真性カーボン膜)

真性カーボン膜は、平面構造全体でありカーボンの構造を制御することやICFにドーピングを行うことで各種応用用途に合わせた機能性を付与できる。
本稿では、構造制御とドーピングによる各種用途に適した設計を行った事例を示す。

• 1. ICF (Ion Carbon Film) の高機能性
• 2. 各種用途に最適化した高機能ICF
  • 2.1 超鏡面ICF (精密金型用)
  • 2.2 アルミニウム合金用ICF (高密着制御)
  • 2.3 光学用ICF
  • 2.4 導電性ICF
  • 2.5 高密着ICF (応力制御)
  • 2.6 耐熱性ICF
  • 2.7 撥水性ICF
  • 2.8 環境適合型ICF (ローズ規制対応)

【ケーススタディ10】 PLD法による透明導電膜の作製

• 1. 実験装置の設計指針と成膜条件
• 2. 透明導電膜について
• 3. PLD法で作製した酸化インジウム系透明導電膜の特性
  • 3.1 プルームに対して垂直な磁場を印加し作製した低抵抗ITO
  • 3.2 ターゲット基板間距離を極端に近づけて作製した低抵抗ITO
• 4. PLD法によるZnO系透明導電膜の作製
  • 4.1 極めて低い抵抗率 (10-5 Ω・cmオーダー) を有するAZO透明導電膜
  • 4.2 超薄膜領域 (膜厚50 nm以下) で低抵抗率を有するAZO透明導電膜
  • 4.3 低温 (室温～90℃) 有機基板上のAZOおよびGZO透明導電膜
  • 4.4 ITO (インジウム) の使用を大幅に削減したAZO透明導電膜+ITO積層ハイブリッド透明導電膜
• 5. まとめ

【ケーススタディ11】 酸化亜鉛薄膜のミスト気相成膜技術における高品質化

• 1. 酸化亜鉛薄膜の各種応用分野
  • 1.1 透明導電膜としてのZnO
  • 1.2 透明デバイスとしてのZnO
  • 1.3 紫外光デバイスとしてのZnO
  • 1.4 その他ZnOの多機能性を活かした応用
• 2. ZnO薄膜の成膜技術
• 3. ミスト気相成膜法によるZnO薄膜の成膜と高品質化
  • 3.1 ミストCVD法とは
  • 3.2 ガラス基板上ZnO薄膜の作製と高品質化
  • 3.3 ガラス基板上ZnMgO薄膜の作製と高品質化
  • 3.4 サファイア基板上単結晶ZnO薄膜の作製と高品質化
  • 3.5 ZnO薄膜の低温成長

【ケーススタディ12】 シード層を用いた高品質アナターゼ型TiO2透明導電膜の作製

ガラス基板上に高品質なTiO2系透明導電体を成膜する技術について述べる。シード層の導入が鍵となり、300℃の真空アニールで低抵抗薄膜 (6.8×10-4 Wcm) を得ることができる。
本技術は透明導電体のみならず、高品質薄膜を得る手法として光触媒やTiO2以外の様々な材料において有効であると思われるので、読者の参考になることを期待している。

• 1. アナターゼTiO2透明導電体
  • 1.1 結晶構造制御
  • 1.2 シード層の導入

【ケーススタディ13】 薄膜蛍光体

薄膜蛍光体について、粉末蛍光体と対比させながらまず始めに発光現象 (ルミネッセンス) の基礎的解説を行った後、発光特性の観点から高品質薄膜の作製、不良事例と対策について述べる。

• 1. ルミネッセンスの基礎
  • 1.1 ルミネッセンスとは
  • 1.2 蛍光体の母体材料
  • 1.3 蛍光体の発光中心材料
    • 1.3.1 ドナ-アクセブタペア型
    • 1.3.2 局在型発光中心
• 2. 蛍光体の合成
  • 2.1 固相反応合成法
  • 2.2 液相反応合成法
• 3. 薄膜蛍光体
  • 3.1 薄膜蛍光体の主な作製法
    • 3.1.1 抵抗加熱蒸着法
    • 3.1.2 電子ビーム蒸着法
    • 3.1.3 多元蒸着 (MSD) 法・分子線エピタキシー (MBE) 法
    • 3.1.4 高周波スパッタリング法
    • 3.1.5 原子層堆積 (ALD) 法
    • 3.1.6 有機金属気相堆積 (MOCVD) 法
    • 3.1.7 ハロゲン輸送減圧CVD (HT-CVD) 法
    • 3.1.8 レーザ・アブレーション法
    • 3.1.9 ゾル-ゲル法
  • 3.2 高品質薄膜蛍光体の作製
    • 3.2.1 高品質薄膜作製のための成膜条件の最適化
    • 3.2.2 不良事例と対策

【ケーススタディ14】 フォトレジスト薄膜の特性と不良対策

レジスト膜の付着要因、濡れ性、および塗布性、各種欠陥について述べる。レジスト膜の、濡れ性の解析法として、表面エネルギーが有効であることを示す。

• 1. レジスト膜の諸特性
  • 1.1 膜付着要因
  • 1.2 凹凸基板への濡れ性
  • 1.3 基板上の塗布性 (ピンホール)
  • 1.4 レジスト膜の環境応力亀裂
• 2. レジスト膜形成と乾燥過程
  • 2.1 スピンコート法による乾燥
  • 2.2 レジスト膜の乾燥に伴う表面硬化層の形成
  • 2.3 溶剤の乾燥に伴うレジスト膜中のVF パターン (Saffman モデル)
  • 2.4 パターン間の液体メニスカスの乾燥過程

【ケーススタディ15】 複合材料膜の合成時における組成均一性のための実施例 (PZT強誘電体薄膜)

複合材料薄膜をCVD法で合成する場合、膜厚均一および組成均一を実現させるための方法について述べる。
最初に、均一な膜厚分布を得るため、装置の構造について、複合材料を成膜する場合の考え方、再現性を向上させるための注意点などについて説明する。
その後、複合材料膜の例としてFeRAM用の材料の1つであるPb (ZrxTi1-x) O3 (PZTと略す) 強誘電体薄膜を用いて説明する。最後に、多様化する出発原料のあらたな気化供給方式である減圧沸騰噴霧気化方式を用いたFlashing Spray-CVD (FS-CVDと略す) 法について説明する。

• 1. CVD装置設計
• 2. 複合酸化膜のCVD成膜条件
  • 2.1 CVD装置および成膜条件
  • 2.2 各単独膜の検討
  • 2.3 PZT膜の合成条件
• 3. PZT薄膜合成結果と考察
• 4. 成膜の安定化について

【ケーススタディ16】 MEMS薄膜用引張試験法の開発と標準化

我が国の新産業創造に不可欠であるMEMSに対して、国家技術戦略と関連付けながらその力学特性評価手法の最近の研究開発動向を概説したい。
最初にMEMS材料に関する代表的な力学特性評価手法の一つであるMEMS材料用引張試験法に関して、著者らが開発した引張試験法の成果も含めて解説する。
次に、今後MEMS分野に不可欠になってくると思われる、MEMS材料力学特性評価手法の国際標準化に関する最近の動向について述べる。

• 1. MEMS材料用引張試験法の概要
  • 1.1 引張試験法の重要性
  • 1.2 MEMS材料用引張試験法の技術的課題と開発例
  • 1.3 産業技術総合研究所が開発した引張試験法の概要
• 2. MEMS材料用力学特性評価手法の国際標準化
  • 2.1 国際標準化活動の重要性と経済産業省の関連施策
  • 2.2 MEMS分野における国際標準化の重要性と現状
  • 2.3 MEMS用薄膜材料の引張試験法の国際標準化
  • 2.4 MEMS用薄膜材料の引張疲労試験法の国際標準化

【ケーススタディ17】 金属へのゾル-ゲルコーティングと腐食防止対策

光触媒コーティング等に使用される二酸化チタン薄膜を例として示し、塗工にノウハウを要するゾル-ゲルコーティングを金属基材へ行う場合の腐食による問題点およびその対策について紹介する。

• 1. 各種金属の腐食と防食
  • 1.1 鉄、ステンレス鋼
  • 1.2 アルミニウム
  • 1.3 亜鉛
  • 1.4 銅
• 2. 乾燥・焼付け条件の影響
• 3. 塗工液ゾルのpHと分散性
• 4. 基材の前処理による品質向上
  • 4.1 リン酸塩系化成処理
  • 4.2 酸化処理
  • 4.3 酸化物系化成処理
  • 4.4 シランカップリング剤系処理
  • 4.5 表面粗化処理

【ケーススタディ18】 カーボンナノチューブ薄膜

ウエットな手法による、他の物質を含まないCNTだけからなる薄膜の作成法を紹介する。
CNT自体が持つ凝集性に注目し、一旦ばらばらに分散したCNTが自ら凝集するときに、無秩序でなく我々の意図に沿うように凝集させることを基本としたのが鋳型法である。
また、分散液中のCNTが負の表面電位を持つことを利用し、複数の条件を満たすCNTのみが電着する無水直流電着法も説明する。

• 1. カーボンナノチューブの基礎
• 2. カーボンナノチューブの分散
• 3. 鋳型法による成膜
  • 3.1 シリカ粒子を鋳型とした場合
  • 3.2 ガラス平板を鋳型とした場合
  • 3.3 有機ゲルを鋳型とした場合
• 4. 無水直流電着法による成膜
  • 4.1 基板依存性
  • 4.2 CNTの形態依存性
  • 4.3 水の影響
  • 4.4 電圧依存性
  • 4.5 半導体・金属CNTの分離
  • 4.6 溶媒依存性

【ケーススタディ19】 高水素透過率、高水素選択性を有するガス分離膜の作製 対向拡散CVD法を利用した無機系高温水素分離膜の作製を中心にガス分離膜の成膜のポイントについて解説する。

• 1. 高温水素分離膜の構造と要求される特性
• 2. 多孔質支持基材上への中間層のコーティング
  • 2.1 中間層の成膜方法
  • 2.2 作製した中間層の評価
• 3. 分離活性層のコーティング
  • 3.1 ゾルーゲル法によるコーティング
  • 3.2 対向拡散CVD法によるコーティング
    • 3.2.1 対向拡散CVD法の原理と特徴
    • 3.2.2 中間層の膜厚及び細孔径がガス分離特性に及ぼす影響
    • 3.2.3 反応ガス流量の影響
    • 3.2.4 ガス透過機構