JP2006144099A - ３次元中空容器の薄膜成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、３次元中空容器のマイクロ波プラズを用いた内面成膜において、マイクロ波の導入手段を備えた３次元中空容器の薄膜成膜装置を提供する。
【解決手段】マイクロ波エネルギーを封じ込める円筒型金属製容器と、該円筒型金属製容器内に成膜対象物である中空容器を収納する非金属製の真空チャンバーとを備え、前記中空容器内に原料ガスを注入する原料ガス導入管が配置され、該中空容器内に原料ガスを導入して、該中空容器内面にプラズマＣＶＤ法により薄膜を成膜する３次元中空容器の薄膜成膜装置において、前記非金属製真空チャンバーを覆い被せるように円筒型金属体が配置され、該円筒型金属体の側面には内側にある前記真空チャンバー部へマイクロ波エネルギーを侵入させるための少なくとも一つ以上の開口部を有する円筒型金属体を配置したことを特徴とする３次元中空容器の薄膜成膜装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、３次元中空容器、例えば、プラスチックボトル、プラスチックカップ、プラスチックトレー、紙容器、紙カップ、紙トレー、その他中空のプラスチック成形品等の表面にプラズマ助成式化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）により薄膜を形成させる３次元中空容器の薄膜成膜装置に関するものである。

ここ最近、中空容器は食品分野や医薬品分野等の様々な分野において、様々な機能が求められている。その中でプラスチック容器は、軽量、低コストという理由から包装容器として広く使用されている。さて、近年ではバリア性を持たせるために特にプラスチック容器にコーティングする技術が様々開発されており、これらの技術によりバリア薄膜が形成されたプラスチック容器が広く出回っている。（例えば、特許文献１、２参照。）
バリア薄膜を形成する方法として、一般的には円筒構造の空洞共振器を用いて内部に成膜対象物を配置し、原料ガスを注入、さらにマイクロ波エネルギーを注入、そしてそのエネルギーによりプラズマ化したガスにより成膜が施される。この時、空洞共振器内へ如何に効率良くマイクロ波エネルギーを注入するか、またマイクロ波の電磁界分布を出来るだけ均一にするかがポイントとなる。円筒型空洞共振器における共振周波数や共振モードは通常、共振器の内径および高さ、内部の誘電率等により計算されて決定することが出来るが、成膜対象物挿入時においてプラズマ発生状態では内部物質の電気的物理定数の変化に伴い、設計通りの共振状態が得られない。

特許文献１における装置構成は円筒構造の空洞共振器の天面側よりマイクロ波を注入する方法ではあるが、基本的にプラズマ発生部は空洞共振器タイプであるため、マイクロ波供給部分と空洞共振器との間にはある程度、距離がありマイクロ波エネルギー伝送のためのモード変換が必要である。しかし空洞共振器内における電磁界分布はこのモード変換部分での電磁界分布の影響も受け、本来の空洞共振器単体での電磁界分布とは違ったものになってしまい、発生するプラズマの強度分布にも影響を与え、成膜結果にも変化を及ぼしてしまう。また、このモード変換部分では成膜対象物の変更およびガス導入管変更に伴い、電磁界分布も変化し、強いてはプラズマ分布・成膜結果にも影響を与える。

この電磁界分布を市販のシミュレーションソフトを活用して解析しても、マイクロ波供給部分とガス導入管の間には強い電界分布の存在を示し、また実際の中空容器への成膜実験ではこの電界の存在によって、この部分には大変強いプラズマが発生し、強いては中空容器内の熱バランスを崩し、この部分だけが変形を起こしてしまうこともある。

この成膜対象物変化に伴う成膜結果を改善する目的で、従来技術では特許文献２のような装置形態も考えられている。特許文献２では、いろいろな形状や寸法の成膜対象物に対応して、良好な成膜結果が得られるように、円筒型導電体を成膜対象物の周囲に挿入し、最適な電磁界分布を得ようとするものである。しかし各種成膜対象物形状に対応するためには、その都度、円筒型導電体の形状を検討しなければならず、汎用性に欠けるものである。

以下に特許文献を示す。
特表２００３−５１８５５５号公報 特表２００３−５３４６２７号公報

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、如何なる成膜対象物において、マイクロ波エネルギーの分布が成膜処理を行なう真空チャンバー内で均一状態であり、このエネルギーから得られるプラズマを用いてＣＶＤ法により薄膜を成膜する３次元中空容器の薄膜成膜装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、すなわち、
請求項１記載の発明は、マイクロ波エネルギーを封じ込める円筒型金属製容器と、該円筒型金属製容器内に成膜対象物である中空容器を収納する非金属製の真空チャンバーとを備え、前記中空容器内に原料ガスを注入する原料ガス導入管が配置され、該中空容器内に原料ガスを導入して、該中空容器内面にプラズマＣＶＤ法により薄膜を成膜する３次元中空容器の薄膜成膜装置において、
前記非金属製真空チャンバーを覆い被せるように円筒型金属体が配置され、該円筒型金属体の側面には内側にある前記真空チャンバー部へマイクロ波エネルギーを侵入させるための少なくとも一つ以上の開口部を有する円筒型金属体を配置したことを特徴とする３次元中空容器の薄膜成膜装置である。

請求項２記載の発明は、
請求項１に記載の３次元中空容器の薄膜成膜装置において、
前記円筒型金属製容器内にマイクロ波エネルギーを注入する手段として、該円筒型金属製容器の天面部に同軸線路構造のマイクロ波伝送手段を設け、該同軸線路構造の中心導体部よりマイクロ波エネルギーを注入する手段が前記円筒型金属製容器内に配置されたことを特徴とする３次元中空容器の薄膜成膜装置である。

請求項３記載の発明は、
請求項１に記載の３次元中空容器の薄膜成膜装置において、
前記円筒型金属製容器内にマイクロ波エネルギーを注入する手段として、該円筒型金属製容器の側面部に方形導波管を設け、該方形導波管内にマイクロ波を伝搬させ、前記円筒型金属製容器内にマイクロ波エネルギーを注入することを特徴とする３次元中空容器の薄膜成膜装置である。

本発明は、例えば、図１乃至４に示すような、マイクロ波エネルギーを封じ込める円筒型金属製容器内に成膜対象物である３次元中空容器を収納する非金属製の真空チャンバーを配置し、該中空容器内に原料ガスを注入する原料ガス導入管があり、さらに該円筒型金属製容器の底面部には図示しない真空ポンプによって真空状態を保つための排気口が具備され、そして該円筒型金属製容器内にマイクロ波エネルギーが注入され、このエネルギーによって得られるプラズマを用いてＣＶＤ法により薄膜を成膜する３次元中空容器の薄膜成膜装置において、該非金属製真空チャンバーを覆い被せるように円筒型金属体が配置され、該円筒型金属体の側面には内側にある該真空チャンバー部へマイクロ波エネルギーを侵入させるための少なくとも一つ以上の開口部を有する円筒型金属体を配置する装置構成にすることによって、該真空チャンバー内部では常に安定したマイクロ波の電磁界分布が得られ、結果的に３次元中空容器への薄膜成膜も安定して均一化された成膜が得られる。また、該真空チャンバー内に収納可能な中空容器であれば、該真空チャンバー内における電磁界分布の大きな変化がないため、いろいろな形状や寸法に変化に対してもある程度、安定した良好な成膜結果が得られる。

以下、本発明における３次元中空容器の薄膜成膜装置の基本構成について図１から図４を用いて説明するが、これに限定されるものではない。

先ず、図１は本発明における一実施例を示した側断面図であり図２は斜視図である。主にマイクロ波エネルギーを封じ込める円筒型金属製容器１の内部に成膜対象物である中空容器３を収納する非金属製の真空チャンバー２が配置され、その周囲には該真空チャンバーを覆い被せるように円筒型金属体８が配置されている。この円筒型金属体の側面にはマイクロ波エネルギーが通過できるスリット型開口部７が複数設けられている。そして真空チャンバー内部にある中空容器内に原料ガスを注入する原料ガス導入管４が該円筒型金属製容器１の底面部より挿入され、かつ、底面部では非金属製真空チャンバー２内を真空状態にするための排気口５が具備されている。そして図示しない真空ポンプによって該非金属製真空チャンバー２内を真空引きしてチャンバー内を真空状態に保つ。

ここで、プラズマ発生のためのマイクロ波エネルギー注入方法は、該円筒型金属製容器１の天面部にある同軸線路６構造のマイクロ波伝送手段を介してマイクロ波エネルギーが伝送され、該円筒型金属製容器１内に放射するためのマイクロ波放射部１３を介して容器１内にマイクロ波エネルギーが注入される。このマイクロ波放射部１３は円筒型金属製容器に中心軸上に位置するため、マイクロ波エネルギーは放射状に広がる。そして容器１内に満たされたマイクロ波エネルギーは、ほぼ中央部にある円筒型金属体８の側面に設けられたスリット型開口部７を介して、真空チャンバー２内部へと注入され、中空容器３内部で発生するプラズマのエネルギー源として消費される。ここで、円筒型金属体８の側面に設けられたスリット型開口部７は、真空チャンバー２内部でのマイクロ波電磁界分布が均一になるように、スリット型開口部の大きさ、形状、数量、配置位置等が決定される。
従って、真空チャンバー２内の中空容器３のサイズが多少変化しても、電磁界分布の変化が少なく、よって成膜結果も安定しており、成膜の均一性も得られる。

図３は、本発明における別の一実施例を示した側断面図であり、図４は斜視図である。基本的には図１および図２と同様に、マイクロ波エネルギーを封じ込める円筒型金属製容器１の内部に成膜対象物である中空容器３を収納する非金属製の真空チャンバー２が配置され、その周囲には該真空チャンバーを覆い被せるように円筒型金属体８が配置されている。この円筒型金属体の側面にはマイクロ波エネルギーが通過できるスリット型開口部７が複数設けられている。そして真空チャンバー内部にある中空容器内に原料ガスを注入する原料ガス導入管４が該円筒型金属製容器１の底面部より挿入され、かつ、底面部では非金属製真空チャンバー２内を真空状態にするための排気口５が具備されて、図示しない真空ポンプによりチャンバー２内を真空引きされる。

マイクロ波エネルギーを注入する手段としては、図１および図２とは異なり、該円筒型金属製容器１の側面部から方形導波管１０によるマイクロ波伝送手段を介してマイクロ波エネルギーを注入する形態としている。これは図１のような導波管から同軸伝送路に変換する部分を用いていないので、変換損失を発生することなく該円筒型金属製容器１内にマイクロ波エネルギーを注入することが出来る。しかし、マイクロ波を円周方向上に均等に分布させるには円筒型金属製容器１の内寸法や真空チャンバー２周囲の円筒型金属体８のサイズなどが関係する。従って装置設計の際、電磁界分布シミュレーションツールなどを駆使して予め装置構成の最適化を計れば、円筒型金属製容器１内の電磁界分布を均一にすることが出来る。

そして、円筒型金属体８の側面に設けられたスリット型開口部７から真空チャンバー２内部に侵入するマイクロ波エネルギーが均一した分布になるように、スリット型開口部の大きさ、形状、数量、配置位置等を決定すれば、真空チャンバー２内の中空容器３のサイ
ズが多少変化しても電磁界分布の変化が少なく、従って成膜結果も安定しており、成膜の均一性が得られる。

ここで、マイクロ波の発生から円筒型金属製容器１内部までのマイクロ波エネルギー供給について図１を用いて説明する。
マイクロ波はマイクロ波発振器９によって作り出されるが、その発振源は一般的には発振周波数２．４５ＧＨｚのマグネトロンが用いられるが別の周波数でも問題ない。
そして、マイクロ波は方形導波管１０を用いて、整合器１１を介して負荷側（成膜装置側）へと導かれる。前記に説明したように、成膜装置へ直接的にマイクロ波エネルギーを伝送する部分は同軸線路６であるが、この同軸線路６の伝送モードと導波管内の伝送モードを変換することが必要であり、その機能を果たす部分が、導波管同軸変換部１２である。これは同軸線路６の中心導体が方形導波管１０の中央部に侵入した構造であり、ここにマイクロ波が励起し、同軸線路６方向へと進行する。

整合器１１は方形導波管１０での整合器１１の配置位置から、導波管同軸変換部１２側をみたインピーダンスと、マイクロ波発振器９側をみたインピーダンスとがマッチングして、マイクロ波発振器９側への反射波が発生しないように、整合を取るように調整するものである。この反射波が大きいと成膜装置内へ十分なマイクロ波エネルギーが注入できずプラズマが発生しないと同時に、反射波によって発振源であるマグネトロンへダメージを与えてしまう恐れもある。また、一般的にこの整合器１１はスリースタブチューナーやＥ−Ｈチューナーが用いられる。このようなマイクロ波系の装置類を用いて円筒型金属製容器１内にマイクロ波エネルギーが注入される。

次に、図３に示す装置形態におけるマイクロ波エネルギーの供給方法だが、基本的には図１で示したマイクロ波発振器９、方形導波管１０、整合器１１を用いることは同じである。図１の方式では円筒型金属製容器１の天面部よりマイクロ波を供給する方法であるため、導波管同軸変換部１２が必要であったが、図３の方式では方形導波管の断面部より直接的に円筒型金属製容器１の側面から供給するため、導波管同軸変換部１２は不要である。その他、整合器１１におけるマイクロ波発振器９側と負荷側（円筒型金属製容器側）とのインピーダンス整合についての考え方は同じである。

尚、図２および図４では、装置へのマイクロ波供給部分の図示を省略したが、図１ならびに図３に示したのと同様な装置が用いられることは容易に想像できる。

然るに、図１または図３におけるマイクロ波エネルギーの供給方法において、該円筒型金属製容器１内部におけるマイクロ波の電磁界分布が均一状態になるように供給すれば、非金属製真空チャンバー２を覆い被せるように配置した円筒型金属体８の側面に設けられたスロット型開口部７が、侵入するマイクロ波エネルギーが真空チャンバー２内で均一分布となるように設定されているので、真空チャンバー２内に収納可能な中空容器であれば、いろいろな形状や寸法に変化に対してもある程度、安定した良好な成膜結果が得られる。

本発明の薄膜成膜装置における実施例の一例を示す側断面図である。 本発明の薄膜成膜装置における実施例の一例を示す斜視図である。 本発明の薄膜成膜装置における実施例の別の一例を示す側断面図である。 本発明の薄膜成膜装置における実施例の別の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１…円筒型金属製容器
２…非金属製真空チャンバー
３…３次元中空容器（成膜対象物）
４…原料ガス導入管
５…排気口
６…同軸線路
７…スリット型開口部
８…円筒型金属体
９…マイクロ波発振器
１０…方形導波管
１１…整合器
１２…導波管同軸変換部
１３…マイクロ波放射部

Claims (3)

1. マイクロ波エネルギーを封じ込める円筒型金属製容器と、該円筒型金属製容器内に成膜対象物である中空容器を収納する非金属製の真空チャンバーとを備え、前記中空容器内に原料ガスを注入する原料ガス導入管が配置され、該中空容器内に原料ガスを導入して、該中空容器内面にプラズマＣＶＤ法により薄膜を成膜する３次元中空容器の薄膜成膜装置において、
   前記非金属製真空チャンバーを覆い被せるように円筒型金属体が配置され、該円筒型金属体の側面には内側にある前記真空チャンバー部へマイクロ波エネルギーを侵入させるための少なくとも一つ以上の開口部を有する円筒型金属体を配置したことを特徴とする３次元中空容器の薄膜成膜装置。
2. 請求項１に記載の３次元中空容器の薄膜成膜装置において、
   前記円筒型金属製容器内にマイクロ波エネルギーを注入する手段として、該円筒型金属製容器の天面部に同軸線路構造のマイクロ波伝送手段を設け、該同軸線路構造の中心導体部よりマイクロ波エネルギーを注入する手段が前記円筒型金属製容器内に配置されたことを特徴とする３次元中空容器の薄膜成膜装置。
3. 請求項１に記載の３次元中空容器の薄膜成膜装置において、
   前記円筒型金属製容器内にマイクロ波エネルギーを注入する手段として、該円筒型金属製容器の側面部に方形導波管を設け、該方形導波管内にマイクロ波を伝搬させ、前記円筒型金属製容器内にマイクロ波エネルギーを注入することを特徴とする３次元中空容器の薄膜成膜装置。

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