JP2009179863A - 同軸型真空アーク蒸着源及び蒸着装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の蒸着源5は、蒸着材料11と一体的な棒状のカソード電極12と、カソード電極12の周囲に配置されたアノード電極と、蒸着材料11に近接した位置に配置されたトリガ電極13と、蒸着材料11を軸方向に移動させる手段と、カソード電極12とアノード電極12の間における放電を制御する電源装置6と、電源装置6の出力に基いて直線駆動機構62の駆動制御を行う放電コントローラ65とを備えた同軸型真空アーク蒸着源である。蒸着材料11と一体的な棒状のカソード電極12は、放電コントローラ65からの信号を受けた直線駆動機構62により、アーク放電に同期して自動的に駆動される。
【選択図】図1
Description
図5を参照して、触媒担持用の同軸型真空アーク蒸着源105を用いた微粒子形成装置101について説明する。真空槽102は、円筒状をしている。原料107を入れるための容器173と原料107をかき混ぜるためのスクレイパである固定羽根175を有する攪拌装置103は、真空槽102内に収納されている。
トリガ電源131は、パルストランスからなり、入力電圧200VのμS単位のパルスを約17倍に変圧して、3.4kV、数μS単位のプラス極性のトリガパルスを出力する。
アーク電源132は、100V数Aの容量の直流電源であり、コンデンサユニット133に充電している。充電時間は約1秒必要とするので放電周期は1Hzとなる。
コンデンサユニット133は、1つの容量が2200μF、耐圧100Vのコンデンサを4つ並列に接続している。
トリガ電源131のプラス出力端子は、トリガ電極114に接続され、マイナス出力端子はアーク電源132のマイナス出力端子と同じ電位に接続され、さらに蒸着材料111に接続されている。コンデンサユニット133の両端子は、アーク電源132のプラスおよびマイナス出力端子間に接続されている。
攪拌容器173の材質はステンレスであり、内壁はバフ研磨されている。攪拌容器173の下面の中心に回転機構172が接続されている。
アーク電源132により、100Vで電荷を充電しておく。ここで、コンデンサユニット133は、8800μFとする。トリガ電極113にトリガ電源131からの3.4kVのトリガパルスを印加し、蒸着材料111とトリガ電極113の間に、ハット型碍子114を介して印加することで、ハット型碍子114の表面で沿面放電が発生し、蒸着材料111とアノード電極123との間でコンデンサユニット133に蓄電された電荷が放電され、蒸着材料111に多量の電流が流入し、白金で成る蒸着材料111が液相から気相、さらに白金のプラズマが形成される。
その結果、白金のイオンは、カーボンの粉107aを核にして成長し、ナノメートル単位の白金粒子が形成される。
例えば、2gのカーボンの粉に担持率50%で白金を付ける場合、白金の重量は1gになる。これを前記同軸型真空アーク蒸着源で蒸着する場合、アーク放電一発当りの白金の膜厚レートは、約0.2nmである。照射エリアは約φ7cmエリア(38.47cm2)であり、従来のカソードの寿命、すなわちカソード側蒸着材料の寿命がアーク放電10000発であることから、膜厚は2000nm(2μm=0.00002cm)であり、照射体積としては0.007693cm3であることから、アーク放電10000発での蒸着重量は0.16g(0.007693cm3×21.4g/cm3)になる。すなわち、白金約1g(0.96g〜1.12g)蒸着するためには、約6〜7回カソード電極側蒸着材料を交換する必要があった。
上記のように、カソード電極側蒸着材料を交換するために多数回真空槽を大気開放していては生産効率が低下する。
また、図7に同軸型真空アーク蒸着源205を用いた微粒子形成装置201の模式図を示す。
この微粒子形成装置201では、カソード電極側の蒸着材料211が消耗することによってトリガ放電が発生しなくなった場合には、同軸型真空アーク蒸着源205のノブ263を回すことによって、蒸着材料を相対的に移動させて再度トリガ放電を発生させることが可能である。
触媒担持用同軸型真空アーク蒸着源5を用いた微粒子形成装置1について図2に基いて説明する。
蒸着を行う真空雰囲気を維持するための真空槽2内に、蒸着対象の原料を入れた容器を含む攪拌装置3を配置し、それに対向するように蒸着源5配置して蒸着材料を気化させ、攪拌装置3の容器内の原料の表面に蒸着させて微粒子を形成させるというものである。
また、蒸着源5において蒸着材料を気化するために電源6を用いて、蒸着源5に必要な電力を供給する。
以下、各構成要素を詳細に説明する。
取付けられている。
ステージ19は特に図示しないが、外周側面にタップ加工が施され、他方、円筒状のアノード電極23の内壁にもタップ加工が施され、ステージ19はアノード電極にねじ込み固定されている。
カソード電極12の下端部12bには、コネクタストラップ24aとアルミナの碍子であるジョイント61が接続される。
ジョイントの一端は、直線導入端子であり、この直線導入端子の回転部分にモータが取付けられている。モータはモータドライバと配線68で接続されている。
アーク電源32は、100V数Aの容量の直流電源であり、コンデンサユニット33に充電している。充電時間は約1秒必要とするので放電周期は1Hzとなる。
コンデンサユニット33には、アーク電源32により100Vで電荷を充電しておく。
ここで、コンデンサユニット33は、8800μFとする。トリガ電極13にトリガ電源31からの3.4kVのトリガパルスを印加し、カソード電極12側の蒸着材料11とトリガ電極13の間に、ハット型碍子14を介して印加することで、ハット型碍子14の表面で沿面放電が発生し、蒸着材料11とアノード電極23との間でコンデンサユニット33に蓄電された電荷が放電され、蒸着材料11に多量の電流が流入し、白金で成る蒸着材料11が液相から気相へと変化し、さらに白金のプラズマが形成される。
図1及び図3を用いて説明する。
放電開始前の、カソード側蒸着材料11、トリガ電極13、及びハット型碍子の位置関係を図3Aに示す。
すなわち、アーク放電10発毎に放電コントローラ65からモータドライバ64に移動指令信号を送信する。放電コントローラ34からの移動指令信号は、モータドライバ64で増幅されモータ63を駆動する。
時点では前方に7mm移動されている(図3F参照)。
放電回数とカソード電極側の蒸着材料の移動量をリンクさせることにより、カソード電極側の蒸着材料の移動を自動的に行うようにした。さらに詳しくは、放電ユニットの出力の間隔を制御の基準単位時間とし、その放電回数をカウントすることによってカソード電極を移動すべき時期を察知することが出来るようになる。これに基づいて、あらかじめ定めた移動量を移動させるので、アーク放電の間隔を一定に保つことができる。
さらに、カソード電極を無回転状態で軸方向に移動可能であり、所定の精度での位置決めが可能になる。
さらに、アーク放電10発〜50発毎の短い間隔で移動可能になり、蒸着材料と絶縁碍子が固着することを防止できる。
その結果、アーク放電の間隔を一定に保つことができるので、装置を連続可動させることが可能となった。
アーク放電が発生しやすい条件が整っていれば、トリガの数と、実際のアーク放電の発生数の差は少ないことによる。例えば、トリガ電圧をさらに高電圧とすれば、雰囲気の絶縁破壊が生じやすくなり、アーク放電の確率は高くなる。
8・・・ガス供給系、9・・・真空排気系、10・・・蒸着材料供給系、
11・・・蒸着材料、12・・・カソード電極、12a・・・電極ホルダ部、12b・・・下端部、13・・・トリガ電極、14・・・絶縁碍子、14a・・・ハット、14b・・・円筒、16・・・スリーブ、17・・・スリーブ押さえ、17a・・・上側スリーブ押さえ、17b・・・下側スリーブ押さえ、18・・・ナット、
21・・・トリガ配線、22・・・トリガ配線碍子、23・・・アノード電極、24・・・カソード配線、24a・・・配線、24b・・・配線、25・・・アノード配線、
30・・・フランジ、31・・・トリガ電源、32・・・アーク電源、33・・・コンデンサユニット、
41・・・ガス供給源、42・・・仕切りバルブ、
51・・・ターボ分子ポンプ、52・・・仕切バルブ、53・・・ロータリポンプ、54・・・調整バルブ、
60・・・取付けフランジ、61・・・ジョイント、62・・・直線導入端子、62a・・・直線運動部分、62b・・・回転部分、63・・・モータ、64・・・モータドライバ、65・・・放電コントローラ、66・・・トリガ信号線、67・・・制御信号線、68・・・モータ動力線、
71・・・固定ステージ、72・・・回転機構、73・・・攪拌容器、74・・・ブラケット、75・・・固定羽根、
101・・・蒸着装置(微粒子形成装置)、102・・・真空槽、103・・・攪拌装置、
105・・・同軸型真空アーク蒸着源、106・・・電源装置、107・・・粉粒物(原料、カーボンの粉)、
111・・・蒸着材料、112・・・カソード電極、112a・・・電極ホルダ部、112b・・・下端部、112c・・・ねじ、113・・・トリガ電極、114・・・絶縁碍子、114a・・・円筒、114b・・・円板、116・・・スリーブ、117・・・スリーブ押さえ、117a・・・上側スリーブ押さえ、117b・・・下側スリーブ押さえ、118・・・ナット、
121・・・トリガ配線、122・・・トリガ配線碍子、123・・・アノード電極、125・・・アノード配線、
131・・・トリガ電源、132・・・アーク電源、133・・・コンデンサユニット、
150・・・取付けフランジ、151・・・ターボ分子ポンプ、152・・・仕切バルブ、153・・・ロータリポンプ、154・・・調整バルブ、
171・・・固定テーブル、172・・・回転機構、173・・・容器、174・・・固定フレーム、175・・・固定羽根、
201・・・蒸着装置、202・・・真空槽、205・・・同軸型真空アーク蒸着源、
210・・・蒸着材料供給系、211・・・蒸着材料、212・・・カソード電極、212a・・・電極ホルダ部、212b・・・下端部、213・・・トリガ電極、214・・・絶縁碍子、214a・・・ハット、214b・・・円筒、216・・・スリーブ、217・・・スリーブ押さえ、217a・・・上側スリーブ押さえ、217b・・・下側スリーブ押さえ、218・・・ナット、
221・・・トリガ配線、222・・・トリガ配線碍子、223・・・アノード電極、225・・・アノード配線、
231・・・トリガ電源、232・・・アーク電源、233・・・コンデンサユニット、
260・・・取付けフランジ、261・・・ジョイント、262・・・直線導入端子、262a・・・直線運動部分、262b・・・回転部分、263・・・ノブ、
Claims (4)
- 蒸着材料と一体的な棒状のカソード電極と、
前記カソード電極の周囲に配置されたアノード電極と、
前記蒸着材料に近接した位置に配置されたトリガ電極と、
前記蒸着材料を軸方向に移動させる移動手段と、
前記カソード電極と前記アノード電極の間における放電を制御する電源ユニットと、
前記電源ユニットの出力に基づいて前記移動手段の駆動制御を行う制御手段と
を具備する同軸型真空アーク蒸着源。 - 請求項1に記載の同軸型真空アーク蒸着源であって、
前記移動手段は、
直線導入機構と、
当該直線導入機構を駆動させるためのモータと、
当該モータの駆動制御手段とを有する同軸型真空アーク蒸着源。 - 請求項2に記載の同軸型真空アーク蒸着源であって、
前記駆動制御手段は、トリガ放電を計数する放電コントローラからの信号を受けて、前記トリガ放電と前記蒸着材料の移動量とを所定の間隔で同期させる同軸型真空アーク蒸着源。 - 真空槽と、
蒸着材料と一体的な棒状のカソード電極と、
前記カソード電極の周囲に配置されたアノード電極と、
前記蒸着材料に近接した位置に配置されたトリガ電極と、
前記蒸着材料を軸方向に移動させる移動手段と、
前記カソード電極と前記アノード電極の間における放電を制御する電源ユニットと、
前記電源ユニットの出力に基づいて前記移動手段の駆動制御を行う制御手段と
を具備する蒸着装置。
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