JP5692726B2 - アルミニウム薄膜の製造方法 - Google Patents
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Description
本実施形態では、高真空中で金属基板、例えばアルミニウム(Al)基板上に、以下で説明する諸条件でAlを真空蒸着法により蒸着して、Al薄膜を形成する。
アセトン及びメタノールを用いて、Al基板を洗浄する。具体的には、Al基板をアセトン中に浸漬させ、10分間の超音波洗浄を2回行う。続いて、Al基板をメタノール中に浸漬させ、10分間の超音波洗浄を2回行う。
上記のように、抵抗加熱法を用いて真空蒸着を行う。真空蒸着装置の蒸着チャンバ内に、蒸着源、ここでは例えば純度99.999%のAlを例えばモリブデン(Mo)製或いはタングステン(W)製のボートに載置し、ボートに電流を流すことによって蒸着源を加熱し、被蒸着対象であるAl基板上にAlを蒸着する。ボートとAl基板との距離を例えば13cmにする。Al基板の直下のシャッタを開閉することにより、蒸着の開始及び終了の操作を行う。Al基板の近傍に設けられた水晶振動子膜厚計を用いて蒸着速度及びAl膜厚を測定する。
なお、本実施形態の真空蒸着として、抵抗加熱法の代わりに、電子ビームを蒸着源に集中照射して加熱し蒸発させる、いわゆる電子ビーム加熱蒸着法を用いることもできる。
また、本実施形態では、下記の構造のAl薄膜を確実に得るべく、蒸着速度を0.5nm/s以上10.0nm/s以下に規定する。
Al基板上にはAl薄膜が形成される。作製されたAl薄膜は、先端尖状の柱状とされた複数の各々孤立したAl粒子がAl基板上に並列して集合するアレー構造として構成される。
Al薄膜を構成する各Al粒子は、平均直径が1.1μmで標準偏差が0.4μmのほぼ均一な範囲に分布しており、高さは例えば0.15μm程度で殆どばらつきなく均一である。Al薄膜の膜厚はAl粒子の高さと等しく、例えば0.15μm程度となる。各Al粒子間には貫通した空隙が形成されており、Al薄膜は凹凸状の表面を有する。この構造により、当該Al薄膜は、極めて大きな比表面積を有する。比表面積とは、単位体積当たりの表面積を言う。
本実施形態により作製されるAl薄膜は、例えば以下に示すような多種の用途に利用される。
電解コンデンサの概略構成を図2に示す。
図2(a)の一部断面図に示すように、電解コンデンサは、陽極箔21と陰極箔22とで誘電体であるセパレータ23を挟持し、陽極箔21とセパレータ23との界面及び陰極箔22とセパレータ23との界面に電解液24が浸潤して構成される。
Al薄膜は、その表面に存する(自然酸化等により生成された)アルミナ(Al2O3)が化学工業における各種の触媒として機能するため、触媒金属膜として用いられる。
触媒金属膜では、触媒の反応効率は表面積によって決まる。図3(a)のように、表面31aが平坦で表面積の小さい触媒金属膜31に比べて、図3(b)のように、表面32aが凹凸状で表面積の大きい触媒金属膜32では、反応物質(反応前をA、反応後をBとする)との接触頻度が多く、触媒の反応効率が高い。
Al薄膜の表面のアルミナは、薄層クロマトグラフィ(TLC)と同様に、その表面における物質との相互作用を利用することにより短時間で物質を分離する機能を有するため、分離素子として用いられる。
分離素子では、物質との相互作用の効率は表面積によって決まる。図4(a)のように、表面41aが平坦で表面積の小さい分離素子41に比べて、図4(b)のように、表面42aが凹凸状で表面積の大きい分離素子42では、物質との相互作用の頻度が多く、相互作用の効率が高い。
Al薄膜を蒸着形成する基板の材質をいくつか変えて、本実施形態による蒸着条件でAl薄膜を形成し、作製された各Al薄膜について、これらの表面状態を走査型電子顕微鏡(SEM)及び原子間力顕微鏡(AFM)を用いて観察及び測定した。SEMによる観察条件は、15kVで3000倍あるいは6000倍とした。AFMによる測定条件は、10μm×10μm、500nmグレースケールとした。
先ず、W基板、Mo基板、SUS基板、Au基板、Al基板の各サンプル基板をアセトン及びメタノールを用いて洗浄した。具体的には、各サンプル基板をアセトン中に浸漬させ、10分間の超音波洗浄を2回行った。続いて、各サンプル基板をメタノール中に浸漬させ、10分間の超音波洗浄を2回行った。
各サンプル基板に対して、1.4×10-6Torr以上3.1×10-6Torr以下の高真空中で、蒸着温度500℃、蒸着速度0.5nm/s,2.0nm/s,10.0nm/sでAlを蒸着し、各Al薄膜を膜厚150nm程度に形成した。
各サンプル基板を自然冷却により90℃程度まで冷却した後、各サンプル基板を真空チャンバから取り出した。
図5、図7、図9、図11、図13、図15は、それぞれ、雲母基板、W基板、Mo基板、SUS基板、Au基板、Al基板のSEMによる画像写真を示している。倍率は3000倍である。各図において、(a)が蒸着速度0.5nm/s、(b)が2.0nm/s、(c)が10.0nm/sの場合にそれぞれ対応する。
図6、図8、図10、図12、図14、図16は、それぞれ、雲母基板、W基板、Mo基板、SUS基板、Au基板、Al基板のAFMによる測定結果を示している。各図において、(a)が蒸着速度0.5nm/s、(b)が2.0nm/s、(c)が10.0nm/sの場合にそれぞれ対応する。
図15のSEMによる画像写真に基づいて、Al粒子の直径を測定した。
具体的には、図15(a)〜(c)のSEMによる画像写真について、Al粒子の「直径」を各画像写真におけるAl粒子の水平方向(左右方向)と垂直方向(上下方向)の径と定義し、粒子の直径の平均値と標準偏差を求めた。その結果は以下の表1に示すように、1.1±0.4μmとなった。このことから、作製されたAl薄膜のAl粒子の直径は、0.7μm以上1.5μm以下のほぼ均一な範囲に分布していることが確認された。
上記のように蒸着速度0.5nm/s、2.0nm/s、10.0nm/sでAl基板上に作製したAl薄膜について、W(nm)及びRms(nm)を測定し、最表面積の増加率を算出した。W(nm)はベアリング解析により求めた表面高さ分布のピークの半値幅を、Rms(nm)は表面高さの標準偏差であり、いずれも表面の粗さ度合いを表す。
最表面積とは、AFMで測定したAl薄膜の見かけの表面積を言う。結果を以下の表1に示す。
このように、蒸着速度を0.5nm/s〜10.0nm/sとして真空蒸着することにより、上記した所期の表面状態とされたAl薄膜を得ることができることが確認された。
なお、0.5nm/s〜10.0nm/sの範囲内の蒸着速度では、Al薄膜の表面状態に差異は認められなかった。
平坦な表面のAl基板のみの試料(試料A)と、上記のように当該表面にAl薄膜を蒸着速度0.5nm/s、2.0nm/s、10.0nm/sで形成したAl基板の試料(それぞれ試料B、試料C、試料D)とについて、交流インピーダンス法を用いて容量を測定した。具体的には、室温で0.5mol/lの硫酸ナトリウム水溶液中に試料A、B、C、Dをそれぞれ浸漬させ、カーボンファイバーの対電極を用いて試料A、B、C、Dの5mm×5mmの領域の電気二重層の容量を測定した。測定結果を以下の表2に示す。ここで、R1は溶液の抵抗、R2とCはそれぞれ電気二重層の抵抗と容量である。なお、電気二重層の容量Cはcm2当たりの値である。
試料の容量は表面積に比例する。従って表2より、試料B、C、Dの表面積は試料Aの表面積のそれぞれ2.62、2.59、2.60倍となる。
このことから、本発明により作製した試料B、C、DのAl薄膜では、全表面積の増加率はそれぞれ162、159、160%となることが確認された。
上記のように蒸着速度2.0nm/sにおいて、Al基板上に作製したAl薄膜のSEMによる画像写真による測定結果を図17に示す。倍率は6000倍である。図17では、蒸着温度が460℃の場合を(a)に、蒸着温度が480℃の場合を(b)に、蒸着温度が520℃での場合を(c)にそれぞれ示す。作製されたAl薄膜の表面には、蒸着温度500℃で作製したAl薄膜と同様に、孤立した円柱状であってサイズが均一なAl粒子の構造が明確に見られる。Al粒子とAl粒子との間には空隙が存在する。各Al粒子は、Al基板上から直立していると考えられる。個々のAl粒子の露出した側面部分が、Al薄膜の比表面積の増加に特に大きく寄与するものと考えられる。
Al基板51上に、孤立した各Al粒子53の集合体としてAl薄膜52が形成されている。Al粒子53は、各々孤立したサイズが均一な円柱状とされ、直径1μm程度で高さ0.15μm程度とされている。
11a 熱電対の穴
12 マスク
21 陽極箔
22 陰極箔
23 セパレータ
24 電解液
25,26,27,28 電極
25a,26a,27a,28a 対向面
31,32 触媒金属膜
31a,32a 表面
41,42 分離素子
41a,42a 表面
51 Al基板
52 Al薄膜
53 Al粒子
Claims (1)
- アルミニウム基板上に真空蒸着法によりアルミニウム薄膜を形成する方法であって、
1.4×10 -6 Torr以上3.1×10 -6 Torr以下の真空度で、蒸着温度を460℃以上520℃以下とするとともに、
蒸着速度を0.5nm/s以上10.0nm/s以下として、前記アルミニウム薄膜を形成することを特徴とするアルミニウム薄膜の製造方法。
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