JP2008240005A - フッ素系高分子薄膜およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無溶媒で均質なフッ素系高分子薄膜およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 基材表面に、フッ素系モノマーと架橋剤とを真空蒸着させてなるフッ素系高分子薄膜である。フッ素系モノマーと架橋剤を同時に蒸発させ、両者あるいはその一方の蒸気に電子線あるいは紫外線を照射し、前記フッ素系モノマーと架橋剤を同時に基板表面に堆積させて形成することができる。また、フッ素系高分子薄膜はフッ素系モノマーを２個または３個のアクリル基を有する化合物で架橋結合してなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、フッ素系高分子薄膜およびその製造方法に関するものである。

フッ素系高分子は耐熱、耐薬品性に優れ、低表面エネルギーであるのみならず、高電気絶縁性、低誘電損失、低屈折率、低光光吸収など、優れた物性を持つ。しかしながら有機溶媒に難溶であるためその製膜は困難であった。
フッ素樹脂粉末を焼結した厚膜はあるが、平坦かつ均質な極薄膜を得ることはできない。溶媒にわずかに溶解する材料もあるが、溶解性も低く、溶媒も高価であり、実用的な製膜には至っていない。

フッ素樹脂のコーティング膜に関する従来技術として、特開平５−６４８５９号公報では、基材表面上に、基材表面の活性水素と反応するシラン系界面吸着剤を接触させて、脱塩化水素反応または脱アルコール反応により−Ｓｉ−結合を有する単分子またはポリマー吸着膜（内膜）を形成し、この上にフッ素系ポリマーをコーティングした後、電子線などを照射して架橋反応させ、フッ素樹脂コーティング膜（外膜）を形成する方法が開示されている。
しかし上記文献では、内膜形成工程と外膜形成工程の２工程が必要であり、作業が複雑になる。
また、溶媒を使用するため、近年の環境保護の観点からは問題がある。

また、フッ素系モノマーを蒸着して電子線や紫外線によって重合膜を得る手法が提案されている。しかしながらフッ素系モノマーは蒸気圧が低く、基板を冷却しない限り膜の堆積が困難である。また、フッ化アルキル系モノマーは結晶性が高く、蒸着膜が多結晶となることで微視的均一性が損なわれる問題がある。

上記欠点を解消するために、特開２００６−１０１４号公報では、含フッ素有機物質を蒸着法により、非フッ素含有物質をイオンビームスパッタ法により、同時に前記基材表面に堆積させる工程とを備えることを特徴とする含フッ素薄膜を有する基材の製造方法が提案されている。
しかし、上記文献では蒸着法とイオンビームスパッタ法を併用しているため、製造装置が大型化・複雑化する。
特開平５−６４３５９号公報 特開２００６−１０１４号公報

この発明は、上記事情に鑑みて創案されたものであって、その主たる課題は、無溶媒で均質なフッ素系高分子薄膜およびその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１の発明では、
基材表面に、フッ素系モノマーと架橋剤とを真空蒸着させてなる、という技術的手段を講じている。
また、請求項２の発明では、
前記架橋剤が２個または３個のアクリル基を有する化合物である、という技術的手段を講じている。
請求項３の発明では、
フッ素系モノマーを２個または３個のアクリル基を有する化合物で架橋結合してなる、という技術的手段を講じている。

また、請求項４の発明では、
前記フッ素系モノマーと架橋剤を同時に蒸発させ、前記フッ素系モノマーと架橋剤の両者あるいはその一方の蒸気に電子線あるいは紫外線を照射し、前記フッ素系モノマーと架橋剤を同時に基板表面に堆積させてなることを特徴とする、という技術的手段を講じている。
請求項５の発明では、
前記フッ素系モノマーが下記の一般式（１）（２）（３）のいずれかで表わされるオレフィン系パーフルオロカーボンである、という技術的手段を講じている。
ただし、一般式（１）（２）（３）において、式中のｎ、ｍ、ｘ、ｙはいずれも整数であり、かつ、ｎは０から４のいずれか、ｍは３から２０のいずれか、ｘ＋ｙ＝３かつｙ＞１である。

請求項６の発明では、
真空蒸着時の真空度が、１０^−１Ｐａ以下である、という技術的手段を講じている。
請求項７の発明では、
形成されたフッ素系高分子薄膜の膜厚が、１ｎｍ〜１００μｍである、という技術的手段を講じている。
請求項８の発明では、
形成されたフッ素系高分子薄膜中の架橋剤含有率が、０．１〜９０％である、という技術的手段を講じている。

本技術によって無溶媒でフッ素系高分子薄膜の形成が可能となるため、従来コーティングが不可能であった薄膜を形成できるのみならず、特殊な溶媒も必要としないため、環境負荷の少ないプロセスを実現できる。また、溶媒を用いず、加熱も行わないため、幅広い対象物表面への製膜が可能となり、新規な保護膜や汚染防護膜として利用が可能となる。
さらに、膜厚は蒸着時間によって制御できるため、数ナノメートルから数十ミクロンの範囲で自由に制御でき、エレクトロニクス・光デバイスなど、低誘電率・低損失の極薄膜が必要とされる用途での利用が可能となる。

また、架橋剤と同時蒸着することによってフッ素系モノマーの付着率が向上するために生産性が向上するのみならず、膜の架橋分子構造によって耐久性が向上する。さらに架橋分子構造によって非晶性となるため、均質で損失や光散乱の少ない皮膜を形成できる。

以下に、本発明のフッ素系高分子薄膜およびその製造方法に係る好適実施例について説明する。
フッ素系高分子薄膜が形成される基材としては、任意の材料を用いることができるが、例えば、金属、セラミック、ガラスエポキシ樹脂などが挙げられる。

本発明で使用されるフッ素系モノマーは、下記の一般式（１）（２）（３）のいずれかで表わされるオレフィン系パーフルオロカーボンを使用することが好ましい。
ただし、一般式（１）（２）（３）において、式中のｎ、ｍ、ｘ、ｙはいずれも整数であり、かつ、ｎは０から４のいずれか、ｍは３から２０のいずれか、ｘ＋ｙ＝３かつｙ＞１である。

このとき、ｍが２以下であると基板への付着が困難となる。
また、ｍが２１以上であると蒸発が困難である。

これらの条件を満たすオレフィン系パーフルオロカーボンの例として、フッ化アルキルアクリレートあるいはフッ化アルキルメタクリレート、特に式（４）で示すエイコサフルオロウンデシルアクリレート（ＥＦＵＡｃ）を挙げることができる。

架橋剤として、２個または３個のアクリル基を有する化合物を使用することが好ましい。
架橋剤の例として、下記の一般式（５）または（６）で表わされる多官能性アクリレートが挙げられる。
ただし、一般式（５）（６）においてＸ、Ｙは金属イオン、アルキル基、アルコキシル基のいずれかであることが好ましい。

一般式（５）で示す化合物のうち、本発明の実施に好適な化合物として、式（７）で示す亜鉛ジアクリレート、または、式（８）で示すビスフェノールＡエトキシジアクリレートが挙げられる。

これらの化合物は安定性が高く、蒸着が容易である。

また、一般式（６）で示す化合物のうち、本発明の実施に好適な化合物として、式（９）で示すトリメチロールプロペントリアクレートが挙げられる。

これらの架橋剤含有率としては０．１〜９０％が好ましい。
０．１％未満の含有率では膜の分子構造を安定化させることが困難である。また、架橋剤含有率が９０％を超えると、フッ素モノマーの持つ化学的性質を利用することが困難になる。

前記フッ素系モノマー及び架橋剤を、高真空中で基材上に同時蒸着することによって、基材表面に蒸着したフッ素系モノマーが表面反応して、無溶媒でフッ素系高分子薄膜を形成する。
難溶性のフッ素系高分子であっても溶媒の制限なしに薄膜形成が可能となり、膜厚もナノメートルからミクロンの範囲で自由に制御することができ、膜中への不純物混入がほとんどない製膜が実現する。
また、フッ素系モノマーのみでなく、架橋剤と共に蒸着することで、重合膜形成を促進して基板冷却を行わずとも薄膜の堆積を可能にするとともに、架橋構造によって均質な非晶性薄膜を得る。

真空としては１０^−１Ｐａ以下が好ましい。これ以上の圧力では、残留気体と蒸着モノマーが衝突するため、モノマーの基板への到達が阻害されるのみならず、膜中に残留気体が不純物として取り込まれる。また、重合反応も残留気体によって阻害される。

形成される膜厚としては１ｎｍ〜１００μｍが好ましい。１ｎｍ未満の厚さでは、事実上単分子の厚さとなり、基板表面の均一な被覆を得ることは困難である。
また、１００μｍ以上の厚さの薄膜を堆積することは可能ではあるが、製膜に時間がかかりすぎるため、蒸着法は経済的ではない。

重合を促進するために、蒸発させたモノマー蒸気・架橋剤蒸気に電子線あるいは紫外線を照射する。照射はフッ素系モノマー、架橋剤の両者に行う必要はなく、一方に照射するのみでも良い。照射によって真空中でラジカルが発生し、基板表面に蒸着したモノマーが表面反応によって高分子薄膜を形成する。

次ぎに、本発明のフッ素系高分子薄膜を形成するための成膜装置の一例を図１に示す。
成膜装置１は、真空槽２と、フッ素系モノマー・架橋剤を充填する蒸発源３、４と、フッ素系モノマー・架橋剤を加熱する抵抗加熱ヒーター５、６と、電子線あるいは紫外線を照射する照射部７よりなっており、薄膜形成対象となる基板８は、真空槽中に据置される。

真空槽は、高真空ポンプＰによって１×１０^−１Ｐａ以下に排気する。
蒸発源は金属あるいは酸化物製であって、フッ素系モノマー・架橋剤が充填され、蒸発源の周囲に配置された抵抗加熱ヒーターによって、各材料の蒸発温度まで加熱する。
照射部は、電子線を照射する場合には、タングステン熱陰極とグリッド状アノード電極から構成され、１００Ｖで数十mA程度の電子線を発生させる。
発生させた電子線は、モノマー蒸気・架橋剤蒸気に照射される。

図示しない温度制御装置によって真空槽内の温度を制御することができるが、本発明では、室温であっても成膜が可能である。

フッ素系モノマーとして、式４で示すエイコサフルオロウンデシルアクリレート（ＥＦＵＡｃ）を用い、５０℃で蒸発させた。

架橋剤として式７で示す亜鉛ジアクリレート（ＺｎＡｃ）を用い、２００℃で蒸発させた。

基板は金を蒸着したガラスを用い、基板温度は室温とした。
ＺｎＡｃに対しては５０Ｖで１５ｍＡの電子照射を行った。
アノード電極の寸法は、縦横４ｃｍ、高さ３ｃｍとした。

ＥＦＵＡｃとＺｎＡｃを同時に蒸着すると、３０分の蒸着で膜厚１００ｎｍの透明かつ均質な高分子薄膜が得られた。得られた蒸着膜の赤外吸収スペクトルにはビニル基に起因する吸収ピークが観察されず、重合膜の形成が確認された。また、得られた膜は有機溶媒に不溶であった。

同様の蒸着条件で蒸着時間を変化させると、蒸発源のモノマー充填量が十分であれば、蒸着時間に比例した膜厚の薄膜が形成された。
ＺｎＡｃの電子照射量が４ｍＡでは、重合の進行度は約５０％であったが、電子電流が１５ｍＡでは、ほぼ８０％以上のモノマーが重合した。

実施例１と同様の条件で、ＥＦＵＡｃに対して５０Ｖ、０．５〜３０ｍＡの電子電流を照射し、金表面に薄膜を堆積し、その際の膜成長速度及び得られた膜の赤外吸収スペクトルを測定した。
その結果、図２に示す通り、１ｍＡ以下の電子電流では膜成長速度が低く、Ｃ＝Ｏ基の伸縮に伴う赤外吸収スペクトルは不飽和カルボニルに相当する１７５３ｃｍ^−１に現れたことから、十分な重合が進行していないことが確認された。
これに対して、５ｍＡ以上の電子電流を照射して製膜を行うと、膜成長速度の明らかな増大と、Ｃ＝Ｏ基の吸収スペクトルの高波数シフトが観察され、重合が促進されることが示された。重合は電子電流の増大とともに促進されたが、空間電荷制限のため、３０ｍＡ以上に電子電流を増大させることは困難であった。これ以上の電子電流を照射するためには、電子の電圧を増大させる、あるいはアノード電極の寸法を拡張することが必要であった。

［比較例１］
架橋剤を使用しない以外は、実施例１と同一条件・方法で薄膜を製造したが、ＥＦＵＡｃ単独で蒸着を行うと、基板温度が室温では膜は堆積しなかった。

本技術によって無溶媒でフッ素系高分子薄膜の形成が可能となるため、従来コーティングが不可能であった薄膜を形成できるのみならず、特殊な溶媒も必要としないため、環境負荷の少ないプロセスを実現できる。また、溶媒を用いず、加熱も行わないため、幅広い対象物表面への製膜が可能となり、新規な保護膜や汚染防護膜として利用が可能となる。
さらに、膜厚は蒸着時間によって制御できるため、数ナノメートルから数十ミクロンの範囲で自由に制御できる。
そこで、エレクトロニクス・光デバイスなど、低誘電率・低損失の極薄膜が必要とされる用途での利用が可能となる。
また、電気絶縁性の向上や低水分付着性などから電子部品での利用も可能となる。
その他、要するにフッ素系高分子薄膜の各種特性を利用しうる種々の用途や分野での適用が可能となる。

本発明の薄膜を形成するための成膜装置の説明図である。 製膜時の電子電流による膜成長速度及び膜のＣ＝Ｏ赤外吸収ピーク波数の変化を示す図である。

符号の説明

１ 成膜装置
２ 真空槽
３ フッ素系モノマー蒸発源
４ 架橋剤蒸発源
５ フッ素系モノマー抵抗加熱ヒーター
６ 架橋剤抵抗加熱ヒーター
７ 照射部
８ 基板

Claims (9)

1. 基材表面に、フッ素系モノマーと架橋剤とを真空蒸着させてなることを特徴とするフッ素系高分子薄膜。
2. 前記架橋剤が２個または３個のアクリル基を有する化合物であることを特徴とする請求項１に記載のフッ素系高分子薄膜。
3. フッ素系モノマーを２個または３個のアクリル基を有する化合物で架橋結合してなることを特徴とするフッ素系高分子薄膜。
4. 前記フッ素系モノマーと架橋剤を同時に蒸発させ、前記フッ素系モノマーと架橋剤の両者あるいはその一方の蒸気に電子線あるいは紫外線を照射し、前記フッ素系モノマーと架橋剤を同時に基板表面に堆積させてなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のフッ素系高分子薄膜。
5. 前記フッ素系モノマーが下記の一般式（１）（２）（３）のいずれかで表わされるオレフィン系パーフルオロカーボンであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のフッ素系高分子薄膜。
   ただし、一般式（１）（２）（３）において、式中のｎ、ｍ、ｘ、ｙはいずれも整数であり、かつ、ｎは０から４のいずれか、ｍは３から２０のいずれか、ｘ＋ｙ＝３かつｙ＞１である。
   

   

   

   
6. 真空蒸着時の真空度が、１０^−１Ｐａ以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のフッ素系高分子薄膜。
7. 形成されたフッ素系高分子薄膜の膜厚が、１ｎｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のフッ素系高分子薄膜。
8. 形成されたフッ素系高分子薄膜中の架橋剤含有率が、０．１〜９０％であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のフッ素系高分子薄膜。
9. 基材表面に真空蒸着法によって形成されるフッ素系高分子薄膜の製造方法であって、
   該フッ素系高分子薄膜は、フッ素系モノマーと架橋剤を同時に蒸発させ、
   前記フッ素系モノマーと架橋剤の両者あるいはその一方の蒸気に電子線あるいは紫外線を照射し、
   前記フッ素系モノマーと架橋剤を同時に基板表面に堆積させてなることを特徴とするフッ素系高分子薄膜の製造方法。

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