薄膜の機械的物性と不良対策・高品質化

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 Carbo