JP2008266732A - 真空蒸着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁界形成手段を最適場所に配置し、液滴を混入させずに成膜する。
【解決手段】本発明の真空蒸着装置１は、磁界形成手段４０と、第一、第二の同軸型真空アーク蒸着源１１、１２とを有している。磁界形成手段４０は、Ｎ極平面４３とＳ極平面４４の間に、第一、第二の同軸型真空アーク蒸着源１１、１２の放出口３６が位置するように、第一、第二の同軸型真空アーク蒸着源１１、１２に近づけられているので、真空槽１０内部の他の部材と設置場所が競合せず、成膜に最適な磁界が形成されるように設置することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、真空蒸着装置の技術分野に係り、特に、同軸型真空アーク蒸着源から放出された微小荷電粒子の進行方向を磁界で曲げる真空蒸着装置に関する。

従来より、カーボンナノチューブの下地膜や、燃料電池の触媒金属担持に、図５に示すような真空蒸着装置１０２が用いられている。
この真空蒸着装置１０２は、真空槽１１０を有しており、真空槽１１０の内部には、同軸型真空アーク蒸着源１１１が配置されており、真空槽１１０内を真空排気系１１９により真空排気し、同軸型真空アーク蒸着源１１１を動作させると、同軸型真空アーク蒸着源１１１の先端から、真空槽１１０内に薄膜材料の蒸気が放出されるようになている。

同軸型真空アーク蒸着源１１１の先端の延長線上には、磁界形成手段１１５が配置されている。
磁界形成手段１１５の内部には、平行磁界が形成されており、平板状の二枚の磁石により、同軸型真空アーク蒸着源１１１から放出された蒸気の進行方向に平行磁界を形成しており、蒸気と共に放出された電子が平行磁界を通過する際に、ローレンツ力によって進行方向が曲げられる。

正電荷を有する蒸気は、平行磁界を通過した電子が形成する電子雲からクーロン力を受け、電子と同方向に曲げられる、成膜対象の基板１１７表面に到達するように構成されている。
同軸型真空アーク蒸着源１１１から蒸気と共に飛び出した巨大粒子(液滴)は、電荷に対する質量が大きく、クーロン力によって曲げられず、直進するので基板には到達せず、基板表面に液滴混入の無い薄膜を形成することができる。

しかしながら、多層構造の薄膜を形成するために、真空槽１１０内に複数の同軸型真空アーク蒸着源１１１を配置し、同じ場所に蒸気を到達させようとすると、各同軸型真空アーク蒸着源１１１に対する磁界形成手段１１５が、他の同軸型真空アーク蒸着源１１１に対する磁界形成手段や、防着板等他の部材とぶつかり合い、最適な位置に配置することができない。
特開２００５−３４８３３７号公報

本発明は、複数の同軸型真空アーク蒸着源を配置できる技術を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は、真空槽と、同軸型真空アーク蒸着源とを有し、前記同軸型真空アーク蒸着源は、筒状のアノード電極と、前記アノード電極内に配置されたカソード電極と、前記アノード電極内で前記カソード電極とは絶縁して配置されたトリガ電極と、互いに向き合わされたＮ極平面とＳ極平面とを有する磁界形成手段を有し、前記アノード電極の先端は、前記Ｎ極平面と前記Ｓ極平面の間に配置された真空蒸着装置である。
本発明は真空蒸着装置であって、前記Ｎ極平面と前記Ｓ極平面の間隔は、前記アノード電極の根本側よりも先端側の方が広くされた真空蒸着装置である。

本発明は上記のように構成されており、磁界形成手段は、Ｎ極平面とＳ極平面の間にアノード電極の先端が位置するように、アノード電極に近づけられている。
通常、真空槽内部には、蒸気の飛行方向に沿って、防着板のような他の部材を取り付ける必要があり、磁界形成手段をアノード電極から離れた場所に配置する場合、他の部材と設置場所が重なり、最適な設置が困難である。

本発明では、磁界形成手段の設置場所がアノード電極に近づけられているから、他の部材と設置場所が重ならず、磁界形成手段を最適な場所に配置し、例えば、複数の同軸型真空アーク蒸着源から同じ場所に蒸気を到達させることができる。

複数の同軸型真空アーク蒸着源と、それに対応する磁界形成手段を真空槽内に配置できるので、液滴が混入しない多層膜を形成することができる。

図１は、本発明の一例の真空蒸着装置１の側面図、図２は正面図を示している。
この真空蒸着装置１は、真空槽１０を有している。真空槽１０の内部には１乃至複数子の取り付けポート（窪み）が設けられいる。ここでは、一つの取り付けポート２９が設けられており、該取り付けポート２９の内部には、第一、第二の同軸型真空アーク蒸着源１１、１２が配置されているが、第一、第二の同軸型真空アーク蒸着源１１、１２を別々の取り付けポートの内部に配置してもよい。

第一、第二の同軸型真空アーク蒸着源１１、１２は同じ構造であり、図３を用いて内部構造を説明すると、第一、第二の同軸型真空アーク蒸着源１１、１２は、アノード電極２１と、蒸着源本体２２を有している。
アノード電極２１は筒状(ここでは円筒状)であり、蒸着源本体２２は棒状であり、蒸着源本体２２はアノード電極２１の内部に配置されている。
蒸着源本体２２は、蒸着材料から成るカソード電極３１と、棒状電極３２と、トリガ電極３３と、絶縁筒３４とを有している。

カソード電極３１は円柱状であり、絶縁筒３４は円筒形状である。カソード電極３１は絶縁筒３４の先端に配置されており、棒状電極３２は絶縁筒３４の内部に挿入されている。
トリガ電極３３はリング状であり、絶縁筒３４の外周のカソード電極３１に近く、カソード電極３１とは離間した位置に嵌め込まれている。

アノード電極２１は、一端の開口が放出口３６として真空槽１０の内部に向けられており、蒸着源本体２２は、アノード電極２１内部で、カソード電極３１側が放出口３６に向けられている。
アノード電極２１と、カソード電極３１と、絶縁筒３４と、棒状電極３２の中心軸線は一致するように配置されている。符号３９はその中心軸線を示している。

真空槽１０の外部には、アーク電源２４とトリガ電源２５が配置されており、アノード電極２１と真空槽１０を接地電位に接続され、カソード電極３１は、棒状電極３２を介してアーク電源２４に接続され、トリガ電極３３はトリガ電源２５に接続されている。

真空槽１０には真空排気系１９が接続されており、真空排気系１９によって真空槽１０内を所定圧力(例えば１０^-5Ｐａ以下)に真空排気し、アーク電源２４によってカソード電極３１に負電圧を印加し、トリガ電極３３にアノード電極２１に対して正電圧となる負電圧を印加すると、カソード電極３１の側面とトリガ電極３３の間にトリガ放電が起こり、カソード電極３１の側面から蒸着材料蒸気が放出される。

蒸着材料蒸気によってアノード電極２１内の圧力が上昇すると、アノード電極２１とカソード電極３１の側面との間にアーク放電が誘起され、大きなアーク電流が流れ、カソード電極３１の側面から蒸着材料の粒子が放出され、カソード電極３１の周囲にプラズマが形成される。

カソード電極３１のリング状の側面は、アノード電極２１の内周面と対面しており、トリガ放電によって誘起されたアーク電流がカソード電極３１の側面とアノード電極２１の内周面の間を流れると、カソード電極３１の側面が溶融し、蒸着材料の粒子が蒸気となって放出され、カソード電極３１の周囲にプラズマが形成される。

アーク電流は棒状電極３２の内部を中心軸線３９に沿って流れ、アノード電極２１の内部に磁界を形成する。アーク放電によってアノード電極２１の壁面方向に放出された電子は、アーク電流が形成する磁界からローレンツ力を受け、進行方向が放出口３６の方向に向けられる。

アノード電極２１の外側の放出口３６付近の位置には、磁界形成手段４０が配置されている。ここでは、磁界形成手段４０は、図１、２に示したように、第一、第二の同軸型真空アーク蒸着源１１、１２と同じ取り付けポート２９内部に配置されているが、取り付けポート２９が透磁性材料で構成されている場合は、取り付けポート２９の外部に配置してもよい。

磁界形成手段４０は、Ｎ極用ヨーク板４１とＳ極用ヨーク板４２と、複数の磁石４６で構成されている。Ｎ極用ヨーク板４１の裏面には、複数の磁石４６がＮ極を向けて配置され、Ｓ極用ヨーク板４２の裏面には、複数の磁石４６がＳ極を向けて配置されており、Ｎ極用ヨーク板４１の表面とＳ極用ヨーク板４２の裏面の反対側の面(表面)には、それぞれＮ極平面４３とＳ極平面４４が出現するようになっている。
このＮ極用ヨーク板４１とＳ極用ヨーク板４２は、表面が互いに向き合って配置されており、放出口３６は、Ｎ極用ヨーク板４１とＳ極用ヨーク板４２の表面の間に配置されている。

従って、アノード電極２１の放出口３６は、Ｎ極平面４３とＳ極平面４４で挟まれており、アノード電極２１内部の放出口３６に近い部分と、アノード電極２１の外部の放出口３６に近い位置には、Ｎ極平面４３とＳ極平面４４によって磁界が形成されている。
アノード電極２１の内部で放出口３６方向に向けて飛行する電子は、アノード電極２１内部に形成された磁界を通過する間に進行方向が曲げられ、放出口３６から斜め方向に放出される。

更に、放出口３６から斜め方向に放出された電子は、アノード電極２１の外部の放出口３６付近の部分を通過する際に、その部分に形成された磁界からローレンツ力を受け、更に同一方向に進行方向が曲げられる。
アノード電極２１内のプラズマ中に含まれる蒸着材料粒子のうち、電荷質量比が小さな巨大荷電粒子や中性粒子は、放出口３６から放出される電子から受けるクーロン力はゼロ又は弱く、カソード電極３１の側面から放出されると直進し、アノード電極２１の側面に衝突してそこに付着する。

他方、アノード電極２１内のプラズマ中に含まれる蒸着材料粒子のうち、電荷質量比(電荷／質量)が大きな正の微小荷電粒子は、電子に引き付けられ、放出口３６から真空槽１０内に放出されると、電子と同方向に飛行する。
微小荷電粒子の飛行方向には、基板ホルダ１８に保持された成膜対象物１７が位置しており、微小荷電粒子が成膜対象物１７表面に到達する。

成膜対象物１７は、放出口３６から放出され、直進する巨大粒子(液滴)が到達できない位置に配置されており、従って、成膜対象物１７の表面には、液滴の混入が無い薄膜が成長する。

図４は真空蒸着装置１の平面図であり、Ｎ極平面４３とＳ極平面４４は、成膜対象物１７の表面が位置する平面に対して垂直にされている。また、Ｎ極平面４３とＳ極平面４４とは平行か、又は角度θを成すように設定されている(平行の場合はθ＝０)。
微小荷電粒子が到達する位置や、微小荷電粒子が到達する面積は、角度θの大きさによって、変更することが可能である。

本発明では、Ｎ極平面４３とＳ極平面４４が従来技術の成膜装置よりもアノード電極２１の根本側に移動しているため、微小荷電粒子の到達位置も、アノード電極２１の根本側方向に移動してしまう。

この場合、対向配置されたＮ極用ヨーク板４１とＳ極用ヨーク板４２の表面の間隔を、アノード電極２１の根本側を狭く、放出口３６側を広くし、成膜対象物１７が位置する方を広げると(θ＞０)、電子及び微小荷電粒子の曲がり方が緩やかになり、到達位置が同軸型真空アーク蒸着源１１、１２から離れる方向に移動し、放出口３６よりも成膜対象物１７に近い位置に磁界形成装置を配置したときと同様に、成膜対象物１７の中心に照射させることができる。

図１、２、４の真空蒸着装置１の、第一、第二の同軸型真空アーク蒸着源１１、１２のカソード電極３１を、異なる種類の金属材料（ここではＴｉ、Ｃｏ）で構成し、成膜対象物であるガラス基板の表面に、ＴｉとＣｏの膜を成膜したところ、ＴｉとＣｏは３０ｍｍ×６０ｍｍの同一エリア内に均一に蒸着された。

また、Ｎ極平面４３とＳ極平面４４の間隔が、成膜対象物１７側が広げられている場合(θ＞０)は、電子及び微小荷電粒子は拡散され、平行にされている場合よりも、微小荷電粒子は広い面積に均一に到達するようになり、アノード電極２１やカソード電極３１の直径を大きくしなくても、薄膜の形成面積を拡大させることができる。

ここではＮ極用ヨーク板４１とＳ極用ヨーク板４２は細長に形成され、細長のＮ極平面４３とＳ極平面４４の長手方向が、成膜対象物１７の表面が位置する平面に対して垂直に配置されており、一組のＮ極用ヨーク板４１とＳ極用ヨーク板４２の表面の間に、長手方向に沿って、第一、第二の同軸型真空アーク蒸着源１１、１２の放出口３６が並べられている。

第一、第二の同軸型真空アーク蒸着源１１、１２内には、異なる材料で構成されたカソード電極３１が配置されており、先ず、第一の同軸型真空アーク蒸着源１１から第一の同軸型真空アーク蒸着源１１内のカソード電極３１の蒸気を放出させ、成膜対象物１７表面に第一の薄膜を形成した後、第一の同軸型真空アーク蒸着源１１からの蒸気放出を停止し、第二の同軸型真空アーク蒸着源１２から、第二の同軸型真空アーク蒸着源１２内のカソード電極３１の蒸気を放出させると、第一の薄膜の表面に、第二の薄膜を積層させることができる。

また、第一、第二の同軸型真空アーク蒸着源１１、１２内から一緒に蒸気を放出させると、第一、第二の同軸型真空アーク蒸着源１１、１２内のカソード電極３１の材料が混合された合金薄膜を形成することができる。

なお、上記実施例では、第一、第二の同軸型真空アーク蒸着源１１、１２の放出口３６を、同じＮ極用ヨーク板４１とＳ極用ヨーク板４２の間に配置したが、第一組のＮ極用及びＳ極用ヨーク板４１、４２と、第二組のＮ極用及びＳ極用ヨーク板４１、４２を用意し、第一、第二の同軸型真空アーク蒸着源１１、１２の放出口３６を、別々の組のＳ極用、Ｎ極用ヨーク板４１、４２の間に配置してもよい。

本発明は、カーボンナノチューブの下地膜(触媒層)や燃料電池の触媒金属や排ガス触媒担持を製造するのに、特に適している。

本発明の真空蒸着装置の一例の内部側面図 本発明の真空蒸着装置の内部一例の内部正面図 同軸型真空アーク蒸着源の断面図 本発明の真空蒸着装置の他の例の内部正面図 従来技術の真空蒸着装置の内部側面図

符号の説明

１……真空蒸着装置 １０……真空槽 ２１……アノード電極 ３１……カソード電極 ３３……トリガ電極 ４０……磁界形成手段 ４３……Ｎ極平面 ４４……Ｓ極平面

Claims (2)

1. 真空槽と、同軸型真空アーク蒸着源とを有し、
   前記同軸型真空アーク蒸着源は、
   筒状のアノード電極と、
   前記アノード電極内に配置されたカソード電極と、
   前記アノード電極内で前記カソード電極とは絶縁して配置されたトリガ電極と、
   互いに向き合わされたＮ極平面とＳ極平面とを有する磁界形成手段を有し、
   前記アノード電極の先端は、前記Ｎ極平面と前記Ｓ極平面の間に配置された真空蒸着装置。
2. 前記Ｎ極平面と前記Ｓ極平面の間隔は、前記アノード電極の根本側よりも先端側の方が広くされた請求項１記載の真空蒸着装置。

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