JP2007204786A

JP2007204786A - 粒子コーティング方法及び粒子コーティング装置

Info

Publication number: JP2007204786A
Application number: JP2006022502A
Authority: JP
Inventors: Osamu Shiino; 修椎野
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2006-01-31
Publication date: 2007-08-16

Abstract

【課題】スパッタリング又は蒸着により粒子表面に薄膜を均一にコーティングすることができる方法及びこの方法に用いる装置を提供する。
【解決手段】粒子Ｐに被覆材料をスパッタする又は蒸着させることにより粒子Ｐ表面に薄膜をコーティングする方法であって、粒子容器３に粒子Ｐを収容し、圧電素子式振動発生器４により粒子容器３を上下に微動させて粒子容器３を介して粒子Ｐを振動させながら粒子Ｐに被覆材料をスパッタする又は蒸着させる方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、粒子表面に薄膜をコーティングする方法及び装置に関する。

種々のスパッタリングや蒸着等のドライ成膜法によって粒子表面に均一に薄膜をコーティングするには、粒体や粉体を十分に攪拌しながら成膜する必要がある。しかしながら、通常真空下や減圧下で行われるドライ成膜装置中で粒体や粉体を効率的に攪拌して薄膜をコーティングすることはこれまで困難であった。

ドライ成膜において粒子を攪拌するための攪拌機としては、例えば、図２に示されるようなシーソー型の攪拌具があり、これは図示しない駆動源により両端が交互に上下して揺動する傾斜板ａ上に、底面下部に支軸ｄを有する粒子収容トレイｃが載置されたものであり、支軸ｄは傾斜板ａ上に設けられた軸受けｂにより支持されている。この攪拌具は、図３（Ａ）〜（Ｄ）に示されるように、傾斜板ａが一方に傾斜した状態で粒子収容トレイｃの一端部が傾斜板ａに接し、この状態から傾斜板ａが水平状態を経て他方に一定以上傾斜すると、粒子収容トレイｃの一端部が傾斜板ａから離れ、他端部が傾斜板ａに接するように瞬時に移行するものであり、粒子収容トレイｃの間歇的な揺動と、それに伴う傾斜板ａと粒子収容トレイｃの端部との衝突により生じる振動とによって粒子ｐを攪拌するものであるが、個々の粒子を十分に回転させることができず、また、積層状態の粒子の下層を上層へと移動させることも難しく、そのため薄膜を均一にコーティングすることが困難である。

特に、従来の攪拌具は比較的大型となるため、攪拌具が小型化されたコーティング装置が求められていた。また、従来の攪拌具は、ほぼ一様の攪拌態様で攪拌するものであり、粒子の物性、例えば粒子径や凝集性などに合わせて攪拌力やその攪拌態様を多様に変更することができるものはなく、粒子の種類に合わせて攪拌を最適化してコーティングできることが望まれていた。

なお、この発明に関する先行技術文献情報としては以下のものがある。

特開２００４−２５０７７１号公報特開２００５−２６４２９７号公報特開２００６−７１０６号公報特許第３６２０８４２号公報

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、スパッタリング又は蒸着により粒子表面に薄膜を均一にコーティングすることができる方法及びこの方法に用いる装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を達成するため、粒子に被覆材料をスパッタすることにより粒子表面に薄膜をコーティングする方法であって、粒子容器に粒子を収容し、圧電素子式振動発生器により上記粒子容器を上下に微動させて該粒子容器を介して粒子を振動させながら該粒子に被覆材料をスパッタすることを特徴とする粒子コーティング方法、及び
粒子に被覆材料を蒸着させることにより粒子表面に薄膜をコーティングする方法であって、粒子容器に粒子を収容し、圧電素子式振動発生器により上記粒子容器を上下に微動させて該粒子容器を介して粒子を振動させながら該粒子に被覆材料を蒸着させることを特徴とする粒子コーティング方法を提供する。

即ち、本発明では、粒子容器に粒子を収容し、圧電素子式振動発生器により粒子容器を上下に微動させ、この粒子容器を介して粒子を振動させる。この際、振動する粒子は粒子容器内面又は他の粒子と衝突しながら粒子容器内をランダムに動き回り、この動作によって粒子が攪拌される。従って、この攪拌されている粒子に対して被覆材料をスパッタすることにより、粒子を振動させて攪拌しながら粒子の表面に効率よく薄膜をコーティングすることができる。

特に、圧電素子式振動発生器は、圧電素子（ピエゾ素子）の伸縮運動により振動を発生するものであり、この圧電素子の伸縮運動は、様々な波形の電流に対してその波形に追従した伸縮運動となり、粒子にこの動きに対応する振動を与えることができる。そのため、粒子の振動条件を、圧電素子式振動発生器に印加する電流値、電流信号波形などを設定することにより、粒子の物性、例えば粒子径や凝集性などに合わせて振動力や振動波形を変更し、粒子の種類毎に攪拌力や攪拌態様を最適化して薄膜をコーティングすることができる。

更に、上記方法においては、上記粒子容器を左右交互に傾斜させながらコーティングすることが好適であり、これにより、粒子の攪拌性を向上させて、より効率よく、かつ均一に粒子に薄膜をコーティングすることが可能となる。

また、本発明は、上記薄膜コーティング方法を適用した薄膜コーティング装置として、粒子に被覆材料をスパッタすることにより粒子表面に薄膜をコーティングする装置であって、被覆材料をスパッタするスパッタユニットと、粒子容器と、該粒子容器と接続され上記粒子容器を上下に微動させる圧電素子式振動発生器と、上記スパッタユニット、粒子容器及び圧電素子式振動発生器を収容するチャンバーとを備え、上記粒子容器に収容された粒子を、上記圧電素子式振動発生器により上下に微動する粒子容器を介して振動させながら、上記粒子に上記スパッタユニットから被覆材料をスパッタするように構成したことを特徴とする粒子コーティング装置、及び
粒子に被覆材料を蒸着させることにより粒子表面に薄膜をコーティングする装置であって、被覆材料を蒸発させる蒸発ユニットと、粒子容器と、該粒子容器と接続され上記粒子容器を上下に微動させる圧電素子式振動発生器と、上記蒸発ユニット、粒子容器及び圧電素子式振動発生器を収容するチャンバーとを備え、上記粒子容器に収容された粒子を、上記圧電素子式振動発生器により上下に微動する粒子容器を介して振動させながら、上記粒子に上記蒸発ユニットから被覆材料を蒸着させるように構成したことを特徴とする粒子コーティング装置を提供する。

この場合、特に上記蒸発ユニットが電子ビーム蒸発式又はレーザー蒸発式の蒸発ユニットであることが好ましい。

上記装置においては、更に、上記粒子容器を上記圧電素子式振動発生器と共に左右交互に傾斜させる傾斜駆動機を備え、上記粒子容器を左右交互に傾斜させて粒子を攪拌しながらコーティングするように構成することが好適であり、このように構成することにより、粒子の攪拌性を向上させて、より効率よく、かつ均一に粒子に薄膜をコーティングすることが可能となる。

本発明によれば、スパッタリング又は蒸着により粒子表面に薄膜を均一にコーティングすることができ、特に、圧電素子式振動発生器に印加する電流値、電流信号波形などを設定することにより、粒子の物性、例えば粒子径や凝集性などに合わせて振動力や振動波形を変更し、粒子の種類毎に攪拌力や攪拌態様を最適化して薄膜をコーティングすることができる。また、圧電素子式振動発生器は、他種の振動発生器と比べて小さくても必要な振動が得られることから、コーティング装置の小型化も可能である。

発明を実施するための最良の形態及び実施例

以下、本発明につき更に詳述する。
本発明の粒子コーティング方法の第１の態様は、粒子に被覆材料をスパッタすることにより粒子表面に薄膜をコーティングする方法であり、粒子容器に粒子を収容し、圧電素子式振動発生器により上記粒子容器を上下に微動させて該粒子容器を介して粒子を振動させながら該粒子に被覆材料をスパッタすることを特徴とする粒子コーティング方法である。

また、本発明の粒子コーティング方法の第２の態様は、粒子に被覆材料を蒸着させることにより粒子表面に薄膜をコーティングする方法であり、粒子容器に粒子を収容し、圧電素子式振動発生器により上記粒子容器を上下に微動させて該粒子容器を介して粒子を振動させながら該粒子に被覆材料を蒸着させることを特徴とする粒子コーティング方法である。

これらいずれの方法においても、粒子容器に粒子を収容し、圧電素子式振動発生器により粒子容器を上下に微動させ、この粒子容器を介して粒子を振動させる。この際、振動する粒子は粒子容器内面又は他の粒子と衝突しながら粒子容器内をランダムに動き回り、この動作によって粒子が攪拌される。従って、この攪拌されている粒子に対して被覆材料をスパッタすることにより、粒子を振動させて攪拌しながら粒子の表面に効率よく薄膜をコーティングすることができる。

また、この方法においては、粒子容器を左右交互に傾斜させながらコーティングすることが好適であり、これにより、粒子の攪拌性を向上させて、より効率よく、かつ均一に粒子に薄膜をコーティングすることが可能となる。更に、攪拌力を増すために、例えば１ｍｍ径程度のステンレス球等のタッピングボールを粒子容器内に共存させて振動させることも可能である。

次に、このような方法を適用した薄膜コーティング装置の具体例を図示して、本発明をさらに詳しく説明する。図１は、本発明のコーティング装置の一例を示し、この装置では、チャンバー１の内部に被覆材料をスパッタするスパッタユニット２と、被覆材料をスパッタする粒子を収容して撹拌する粒子容器３と、この粒子容器と接続され粒子容器を上下に微動させる圧電素子式振動発生器４とが収容されている。

チャンバー１は、スパッタリングにおける真空雰囲気を形成するためのものであり、スパッタリングガスを導入するガス導入口（図示せず）、ガスを排気するための排気口（図示せず）を有している。また。スパッタユニット２は、従来公知のスパッタ装置におけるカソード機構をそのまま適用することができ、ターゲット２１に電力を印加することにより、その前方にスパッタリング雰囲気（プラズマ領域）２２を形成するようになっている。そして、上記スパッタユニット２はプラズマ領域２２が粒子容器３内部に収容された粒子ｐと対向するように配設されている。従って、本発明のスパッタユニットとしては、一般に、デポダウン型、斜め入射型と呼ばれるスパッタユニットが好適である。一方、圧電素子式振動発生器４の振動発生源であるピエゾ素子は粒子容器外周側を正電圧４１、内周側をグランド４２として配置されている。

また、この装置では、圧電素子式振動発生器４は断面弓形状の可動盤５１上に接続され、可動盤５１はその下方に設けられた断面半円弧状のスロープ台５２の上に載置されており、図示しない駆動機により、圧電素子式振動発生器４がスロープ台５２にガイドされて可動盤５１及び粒子容器３と共に円弧状に振り子運動するようになっている。なお、図１中、１３は電流導通用端子、６はファンクションジェネレーター、７はパワーアンプである。

この装置では、粒子容器３内部に収容された粒子は、ボイスコイル式動電型加振器４から与えられる振動により上下に微動する粒子容器を介して振動するようになっている。この場合、ファンクションジェネレーター６により発生させた任意の電流信号、例えば、三角波、矩形波、正弦波などをパワーアンプ７により増幅してボイスコイル式導電型加振器４に導入することができる。従って、この攪拌されている粒子に対して被覆材料をスパッタすることにより、粒子を強力に振動させて攪拌しながら粒子の表面に効率よく薄膜をコーティングすることができる。

更に、この装置では、粒子容器３が圧電素子式振動発生器４と共に左右交互に傾斜し、粒子容器３の粒子保持面が傾斜して、粒子が左右に流動するようになっている、これにより、粒子の攪拌性を向上させて、より効率よく、かつ均一に粒子に薄膜をコーティングすることが可能である。

スパッタ方式としては、通常のＤＣスパッタ法、ＲＦスパッタ法、ＭＦ（パルス）スパッタ法に加えて、複数のターゲットを用いたデュアルマグネトロンスパッタ法など各種の方式を適用することができる。また、アルゴンガス等の不活性ガスのみをスパッタガスとして用いる非反応性のスパッタだけでなく、酸素ガス、窒素ガス等の反応性ガスを不活性ガスと共にスパッタガスとして導入する反応性スパッタを適用することもできる。

更には、発生させたプラズマ近傍に光ファイバーを配設し、発効波長、強度をモニターすることによって、反応性ガスの制御を行い、その反応度（酸素ガスを用いる場合、酸化度）を調整するＰＥＭコントロールを適用することも可能である。これらのスパッタ手法を適用することによって様々な無機薄膜をスパッタリングにより粒子にコーティングすることが可能である。

なお、ここでは、上記薄膜コーティング方法の第１の態様を適用した装置、即ち、スパッタリングにより薄膜をコーティングする装置の例を挙げたが、上記薄膜コーティング方法の第２の態様を適用した蒸着による装置も、スパッタリングにより薄膜をコーティングする装置のスパッタユニットを従来公知の蒸着ユニットに変えることにより構成することができる。この場合、蒸発ユニットとしては、電子ビーム蒸発式、レーザー蒸発式等の方式を好適に採用し得る。

次に、上述した本発明の粒子コーティング装置を用いた粒子の薄膜コーティングの実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明の粒子コーティング方法は下記実施例に限定されるものではなく、また、本発明の粒子コーティング装置も上述した具体例に限定されるものではない。

［実施例］
図１に示される粒子コーティング装置を用い、粒径が約１００μｍのアクリル樹脂粒子の表面にＤＣ反応性スパッタ法によりＺｎＯをコーティングした。粒子容器としてステンレス製の４０ｍｍ×８０ｍｍ、深さ２０ｍｍのものを用い、約１０ｇ（約容積３０ｍｌ）の試料を粒子容器に収容して処理した。ピエゾ圧電素子は２０ｍｍφ×３０ｍｍの円柱形のもの４本が粒子容器の４隅に配設されている。また、ターゲットは粒子容器の中央部から斜め４５°上方、距離約１５ｃｍの位置に配設されている。

ターゲットＺｎ（４Ｎ），７５ｍｍφ
ＤＣ印加電力１５０Ｗ
スパッタガスＡｒ（８０ｓｃｃｍ），Ｏ₂（２０ｓｃｃｍ）
ガス供給全圧０．５Ｐａ
スパッタ圧力（背圧）０．５×１０^-3Ｐａ
成膜時間９０分

なお、ファンクションジェネレーターからは５０Ｈｚの正の矩形波を出力し、パワーアンプで増幅してピエゾ圧電素子に導入した。この場合、ピエゾ圧電素子の粒子容器外周側を正電圧、内周側をグランドとし、最大約＋２００Ｖの電圧が印可される。また、同時に粒子容器を圧電素子式振動発生器と共に、傾斜駆動機により振り子運動（振り角度±３０°、振動周期４ｒｐｍ）させた。

その結果、スパッタリング中、チャンバーに設けられたビューポートから試料全体が真空中で十分攪拌されていることが確認できた。また、得られた粒子をＸ線回折（ＸＲＤ）により分析したところ、ＺｎＯに由来する回折ピークが検出された。得られた粒子について走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による形状観察を行った結果、アクリル樹脂の表面に約５０ｎｍ程度のＺｎＯ層が確認され、ＺｎＯ薄膜が均一にコーティングされていることも確認された。

本発明の薄膜コーティング装置の一例を示す概略図である。従来の攪拌具を示す断面図である。同攪拌具の動作を示す断面図である。

符号の説明

１チャンバー
２スパッタユニット
２１ターゲット
２２プラズマ領域
３粒子容器
４圧電素子式振動発生器
６ファンクションジェネレーター
７パワーアンプ
ａ傾斜板
ｂ軸受け
ｃ粒子収容トレイ
ｄ支軸
ｐ粒子

Claims

粒子に被覆材料をスパッタすることにより粒子表面に薄膜をコーティングする方法であって、
粒子容器に粒子を収容し、圧電素子式振動発生器により上記粒子容器を上下に微動させて該粒子容器を介して粒子を振動させながら該粒子に被覆材料をスパッタすることを特徴とする粒子コーティング方法。
粒子に被覆材料を蒸着させることにより粒子表面に薄膜をコーティングする方法であって、
粒子容器に粒子を収容し、圧電素子式振動発生器により上記粒子容器を上下に微動させて該粒子容器を介して粒子を振動させながら該粒子に被覆材料を蒸着させることを特徴とする粒子コーティング方法。
更に、上記粒子容器を左右交互に傾斜させながらコーティングすることを特徴とする請求項１又は２記載の粒子コーティング方法。
粒子に被覆材料をスパッタすることにより粒子表面に薄膜をコーティングする装置であって、
被覆材料をスパッタするスパッタユニットと、粒子容器と、該粒子容器と接続され上記粒子容器を上下に微動させる圧電素子式振動発生器と、上記スパッタユニット、粒子容器及び圧電素子式振動発生器を収容するチャンバーとを備え、
上記粒子容器に収容された粒子を、上記圧電素子式振動発生器により上下に微動する粒子容器を介して振動させながら、上記粒子に上記スパッタユニットから被覆材料をスパッタするように構成したことを特徴とする粒子コーティング装置。
粒子に被覆材料を蒸着させることにより粒子表面に薄膜をコーティングする装置であって、
被覆材料を蒸発させる蒸発ユニットと、粒子容器と、該粒子容器と接続され上記粒子容器を上下に微動させる圧電素子式振動発生器と、上記蒸発ユニット、粒子容器及び圧電素子式振動発生器を収容するチャンバーとを備え、
上記粒子容器に収容された粒子を、上記圧電素子式振動発生器により上下に微動する粒子容器を介して振動させながら、上記粒子に上記蒸発ユニットから被覆材料を蒸着させるように構成したことを特徴とする粒子コーティング装置。
上記蒸発ユニットが電子ビーム蒸発式又はレーザー蒸発式の蒸発ユニットであることを特徴とする請求項４記載の粒子コーティング装置。
更に、上記粒子容器を上記圧電素子式振動発生器と共に左右交互に傾斜させる傾斜駆動機を備え、上記粒子容器を左右交互に傾斜させて粒子を攪拌しながらコーティングするように構成したことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項記載の粒子コーティング装置。