JP4252347B2 - ガスバリア性薄膜コーティングプラスチック容器の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラスチック容器の内表面にガスバリア性薄膜をコーティングする際、原料ガスをプラズマ化するまでの準備時間を短縮することが可能なガスバリア性薄膜コーティングプラスチック容器の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
容器以外の分野でＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜をコーティングする技術としては、ＤＬＣ膜の硬度、耐磨耗に着目して用いられるガイドブッシュ、おさ羽等の保護膜の用途でのＤＬＣ膜がある。このコーティング方法は、一旦反応チャンバ内を３．９９×１０−３Ｐａ（３×１０−５Ｔｏｒｒ）程度まで減圧にして反応チャンバ内の水蒸気や酸素、窒素等の不純物を取り除き、１３．３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）程度の圧力で反応させて成膜していた（例えば非特許文献１を参照。）。この方法では生産性が低いのでコストがかかるものの膜中に不純物の混入は防止でき、基本構成元素である炭素原子と水素原子とからなるＤＬＣ膜を成膜することができる。
【０００３】
容器分野で高周波プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition、化学気相成長）法によるＤＬＣ膜の成膜装置（例えば特許文献１を参照。）では、到達真空圧力を１０−２〜１０−５ｔｏｒｒ（１．３３〜１．３３×１０−３Ｐａ）として反応チャンバ内の水蒸気や酸素、窒素等の不純物を取り除いてから原料ガスを導入していた。そして成膜圧力を０．５〜０．００１ｔｏｒｒ（６６．５〜０．１３３Ｐａ）として成膜していた。しかし、到達真空圧力まで減圧する操作は時間がかかるので生産性を上げることは出来ず、コストをかけず低価格で提供せざるを得ない容器の分野では実製造は不可能である。
【０００４】
そこで、ガスバリア性薄膜、特に炭素膜コーティングプラスチック容器の量産的製造方法が、例えば特許文献２に開示されている。特許文献２には炭素膜コーティングプラスチック容器の量産的製造方法が開示されており、特にプラスチック容器内に供給した原料ガスをプラズマ化するまでの準備時間、すなわち、容器内部を原料で置換し、所定の成膜圧力に到達させるまでに要する時間を短縮する技術が開示されている。特に特許文献２の明細書段落番号（００９１）から（０１０７）及び特許文献２の図９に記載がある。同文献３の図９を本願の図１３に示す。図１３を参照して当該記載を要約すると次の通りである。プラスチック容器の内部を到達真空圧力（凡そ０．５３Ｐａ）まで真空引きし（図１３のａ，ｂ，ｃ）、その後原料ガスを容器内部に供給する。原料ガスの供給開始直後は容器内圧が急上昇し、排気と原料ガスの供給とのバランスによって所定の成膜圧力（凡そ４．２Ｐａ）に到達する（図１３のｄ）。所定の成膜圧力で安定化したのを確認して（図１３のｅ）、高周波電力を外部電極に印加してプラズマを着火させる。これによりプラスチック容器の内壁面に炭素膜をコーティングしている。特許文献２では、真空装置及びその作動サイクルを工夫することで排気能力の効率化を図り、高周波印加までの成膜準備に要する時間の短縮を図る。
【０００５】
【非特許文献１】
ＮＥＷ ＤＩＡＭＯＮＤ，Ｎｏ．４８，ｐ１９−２３（１９９８）
【特許文献１】
特開平０８−０５３１１７号公報、段落００２９〜００３０
【特許文献２】
特開平１０−２５８８２５号公報、図９
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
容器内部にＤＬＣ膜などのガスバリア性薄膜をプラズマＣＶＤ法により成膜する場合、原料ガス系プラズマを着火して成膜を行なうまでに、容器内部を原料ガスに置換し、且つ容器内部圧力を成膜圧力に調整する操作が必要となる。本発明は、これらの操作に要する時間を短縮することを目的とする。特許文献２では、複数の真空ポンプを稼動させて、早期に到達真空圧力まで減圧させる方法を提案しているが、本発明は排気手段の構成にかかわりなく、排気手段をいかなる構成とした場合でも適用可能な製造方法を提案するものである。すなわち、容器内部の原料ガスへの置換操作と容器内部圧力を成膜圧力に調整する操作を同時に行ない、短時間で終了させる製造方法を提案するものである。
【０００７】
本発明は、成膜圧力よりも減圧するような高度な真空引きを行なわずに、成膜圧力まで到達したのちすぐに成膜を行なうことが出来るように調整することで、高度な真空引きに要する所要時間を短縮することを目的とする。このとき、初期に高度な真空引きを行なう理由は容器内部を十分に原料ガスで置換するためであるが、原料ガスの供給のタイミングを制御することで従来行なってきたレベルまでの真空引きを行なうことなく同等のガスバリア膜を得ることができる成膜方法を提供する。
【０００８】
本発明は、プラズマＣＶＤ法により容器内表面にガスバリア性薄膜を成膜する方法を提供するものであり、プラズマ励起手段に左右されるものではないが、特に適したプラズマ励起エネルギー源として、高周波電力（ＲＦ）、マイクロ波（ＭＷ）又は誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）の少なくともいずれか一つを用いるガスバリア性薄膜コーティングプラスチック容器の製造方法を提供することを目的とする。ここで、プラズマ励起エネルギーの違いにより所定成膜圧力は少しずつ異なる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るガスバリア性薄膜コーティングプラスチック容器の製造方法は、プラスチック容器の内部を排気開始すると同時に若しくは前記プラスチック容器の内部を排気開始したのち、式１で表される時間ｔを経過したときの排気途中段階で、プラズマＣＶＤ法によりガスバリア性薄膜を形成するための原料ガスを前記プラスチック容器の内部に供給開始し、前記プラスチック容器の内部の排気と前記原料ガスの供給とを同時に行なって前記プラスチック容器の内部を前記原料ガスに置換するとともに前記プラスチック容器の内圧を所定成膜圧力まで到達させたのち、前記原料ガスをプラズマ化して前記プラスチック容器の内表面にガスバリア性薄膜を形成することを特徴とする。ただし、前記原料ガスを供給しないときに前記所定成膜圧力まで到達するのに要する時間Ｔをする。
【式１】
０≦ｔ≦Ｔ×０．７
【００１０】
本発明に係るガスバリア性薄膜コーティングプラスチック容器の製造方法では、前記所定成膜圧力は全工程内で最も低い容器内部圧力であり、該所定成膜圧力は１．３３〜６．６５×１０２Ｐａとすることが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係るガスバリア性薄膜コーティングプラスチック容器の製造方法では、前記プラスチック容器の内部を排気開始したのち、前記プラスチック容器の内圧が式２で表される内圧Ｐとなったときに前記原料ガスの供給を開始することがより好ましい。ただし、前記所定成膜圧力をＰ（ｄｅｐｏ）とする。
【式２】
Ｐ＝Ｐ（ｄｅｐｏ）×２．５
【００１４】
さらに本発明に係るガスバリア性薄膜コーティングプラスチック容器の製造方法では、高周波電力（ＲＦ）、マイクロ波（ＭＷ）又は誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）の少なくともいずれか一つをプラズマ励起エネルギーとして前記原料ガスをプラズマ化することが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について発明の実施形態及び実施例を示して詳細に説明するが本発明はこれらの記載に限定して解釈されない。
【００１６】
本発明は、プラスチック容器の内表面にガスバリア性薄膜を形成することが可能な製造装置を用いて、排気、原料ガスの供給、プラズマ励起エネルギーの供給等の成膜条件及びタイミングを規定するものである。したがって、本発明は製造装置に限定されるものではなく、各種製造装置において適用し、実現可能である。特許文献１及び特許文献２に開示された製造装置のみならず、例えば、下記に列挙した特許文献３〜９に示された製造装置を使用することも可能である。
【特許文献３】
ＷＯ００／０７１７８０Ａ１号公報
【特許文献４】
ＷＯ０１／０３２５１３Ａ１号公報
【特許文献５】
ＷＯ０２／０４９９２５Ａ１号公報
【特許文献６】
ＷＯ０２／０５１７０７Ａ１号公報
【特許文献７】
ＷＯ０３／０００５５８Ａ１号公報
【特許文献８】
ＷＯ０３／０００５５９Ａ１号公報
【００１７】
本実施形態においてガスバリア性薄膜としては、ＳｉＯｘ、ＤＬＣ、Ｓｉ含有ＤＬＣ、ポリマーライクカーボン、酸化アルミニウム又はポリマーライク窒化珪素が例示できる。この中でＤＬＣは酸素バリア性及び水蒸気バリア性に優れ、化学的に不活性、炭素及び水素を主成分とする為、プラスチックと同様の処分が可能であること、柔軟であるのでプラスチックの伸縮に追随性があることから特に好ましい。本発明でいうＤＬＣ膜とは、ｉカーボン膜又は水素化アモルファスカーボン膜(ａ−Ｃ：Ｈ) と呼ばれる膜のことであり、硬質炭素膜も含まれる。またＤＬＣ膜はアモルファス状の炭素膜であり、ＳＰ３結合も有する。このＤＬＣ膜を成膜する原料ガスとしては炭化水素系ガス、例えばアセチレンガスを用い、Ｓｉ含有ＤＬＣ膜を成膜する原料ガスとしてはＳｉ含有炭化水素系ガスを用いる。このようなＤＬＣ膜をプラスチック容器の内表面に形成することにより、炭酸飲料や発泡飲料等の容器としてワンウェイ、リターナブルに使用可能な容器を得る。
【００１８】
本実施形態では、特許文献３に記載された製造装置（特許文献３の図１）を使用する場合を一例として説明する。図１に特許文献３の図１に記載された製造装置を示す。まず、図１を参照してプラスチック容器の内表面へガスバリア性薄膜を成膜するためのＣＶＤ成膜装置について簡単に説明する。
【００１９】
図１は、本装置の電極構成等を示す図である。図１に示すように、本装置は基台１と、基台１に取り付けられた肩部電極２及び胴部電極３と、胴部電極３に対して着脱可能とされた底部電極４とを備える。さらに図１に示すように、肩部電極２、胴部電極３及び底部電極４は、それぞれプラスチック容器５の外形に即した形状の内壁面を有する。肩部電極２、胴部電極３及び底部電極４は、本装置の外電極を構成する。本実施例では外電極を成膜チャンバとする。
【００２０】
底部電極４を胴部電極３に対して取り付けたとき、基台１、肩部電極２、胴部電極３及び底部電極４は、互いに気密的に取り付けられた状態となる。そして、これらはプラスチック容器５を収納する収納部１０を備える真空チャンバとして機能する。さらに図１の装置は、真空チャンバ及び容器内部を排気する排気手段（不図示）を備える。
【００２１】
収納部１０には内電極１１が設けられている。内電極１１は、収納部１０に収容されたプラスチック容器５の内部に挿入される。内電極１１は電気的にグランド電位に接続されている。
【００２２】
内電極１１は、中空形状(筒状)に形成されている。また、内電極１１の下端には、内電極１１の内外を連通させる１つの吹き出し孔(不図示)が形成されている。内電極１１には内電極１１の内部と連通される管路１２が接続されている。本装置には管路１２の上流側には原料ガス供給手段（不図示）が備えてある。そして管路１２を介して内電極１１内に送り込まれた原料ガスが、この吹き出し孔を介してプラスチック容器５内に放出できるよう構成されている。なお、管路１２は金属製であり導電性を有する。そして図１に示すように、管路１２を利用して内電極１１がグランド電位に接続されている。
【００２３】
図１に示すように、底部電極４には整合器８を介して高周波発振器９の出力端が接続されている。高周波発振器９は、グランド電位との間に高周波電圧を発生させ、これにより内電極１１と底部電極４との間に高周波電圧が印加される。高周波電源として、１３．５６ＭＨｚの周波数のものを使用する。
【００２４】
次に、例示した図１のＣＶＤ成膜装置を用いて、プラスチック容器５の内表面にＤＬＣ膜を形成する場合の手順について説明する。
【００２５】
プラスチック容器５はその底部が底部電極４の内面に接触するようにセットされる。そして底部電極４が上昇することにより、プラスチック容器５は収納部１０に収納される。このとき収納部１０に設けられた内電極１１が、プラスチック容器５の口(上端の開口)を介してプラスチック容器５の内部に挿入される。
【００２６】
底部電極４が所定の位置まで上昇して収納部１０が密閉されたとき、プラスチック容器５の外周は肩部電極２、胴部電極３及び底部電極４の内面に接触した状態となる。
【００２７】
プラスチック容器５を収容した後の成膜条件プロファイルを図２に示した。図２は、時間を横軸、プラスチック容器の内圧、原料ガス供給量及び高周波電力出力を縦軸に表した成膜条件プロファイルの一形態である。
【００２８】
不図示の真空装置により、収納部１０内の空気が基台１の排気口１Ａを介して排気される。ここで、排気開始と同時に、管路１２を介して原料ガス(例えば、脂肪族炭化水素類、芳香族炭化水素類等の炭素源ガス)を内電極１１の吹き出し孔からプラスチック容器５の内部に導入開始する（図２（ａ）の工程）。これにより容器内が原料ガスで置換されると同時に所定成膜圧力まで減圧される。容器内部圧力は図２（ａ）に示すようなプロファイルを描く。
【００２９】
原料ガス置換が行なわれ且つ容器内部圧力が所定成膜圧力、例えば６．６５〜６．６５×１０２Ｐａとなった後、高周波発振器９を動作させることにより内電極１１と外電極との間に高周波電圧を印加し、プラスチック容器５内に原料ガス系プラズマを発生させる（図２（ｂ）の工程）。すなわち、このプラスチック容器５の内表面におけるＤＬＣ膜の形成は、プラズマＣＶＤ法によって行われる。これによって、プラスチック容器５の内表面にＤＬＣ膜が形成される。このとき、成膜圧力は原料ガスの消費にともない多少変動する。印加する高周波電力としては、４００〜５００Ｗ程度が適正な電力であった。高周波電力の供給時間により膜厚が制御でき、５〜１５０ｎｍである。また成膜速度は原料濃度、高周波電力の供給量、成膜圧力により制御できるが、１秒間で５〜１５ｎｍの成膜速度を有していた。
【００３０】
本実施形態に係る原料ガスとしては、原料ガスを構成する炭素源ガスとしては、常温で気体又は液体の脂肪族炭化水素類、芳香族炭化水素類、含酸素炭化水素類、含窒素炭化水素類などが使用される。例えば(１)メタン系として、メタンCH４、エタンC2H6、プロパンC3H6、ブタンC4H10、(２)エチレン系としてエチレンC2H4、プロピレンC3H6、ブチレンC4H8(3つの異性体)、（３）アセチレン系としてアセチレンC2H2、メチルアセチレンC3H4、エチルアセチレン（C4H6）、（４）その他としてノルマルヘキサンC6H14、シクロヘキサンC6H12、（５）芳香族としてベンゼンC6H6、トルエンC6H5CH3、キシレンC6H4（CH3）2が例示できる。特に炭素数が６以上のベンゼン，トルエン，o-キシレン，m-キシレン，p-キシレン，シクロヘキサン等が望ましい。ただし食品等の容器に使用する場合には、衛生上の観点から脂肪族炭化水素類、特にメタン系炭化水素、エチレン系炭化水素、アセチレン系炭化水素が好ましい。これらの炭素源ガスは、原料ガスとして単独で用いても良いが、２種以上の混合ガスとして使用するようにしても良い。さらにこれらのガスをアルゴンやヘリウムの様な希ガスで希釈して用いる様にしても良い。また、ケイ素含有ＤＬＣ膜を成膜する場合には、Ｓｉ含有炭化水素系ガスを使用する。
【００３１】
ＳｉＯｘの膜は、液体のヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳ）などの有機シリコンや気体のシラン（ＳｉＨ４）を原料として、酸化させるための酸素とキャリアガスのヘリウム（使用しない場合もある。）と共にコートする。また、Ａｌ２Ｏ３膜はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）と酸素を原料とする。さらに窒化珪素膜は：（ＳｉＨ４／ＮＨ３）と酸素を原料とする。
【００３２】
成膜終了後、原料ガスの供給を停止し、容器内に空気を導入して（リークさせて）容器内部圧力を大気圧にする（図２（ｃ）の工程）。
【００３３】
図２では、図２（ａ）で示したごとく、容器内の排気と原料ガスの供給を同時に開始する場合を示したが、図３に示すように、原料ガス供給のタイミングを排気開始後にずらしても良い。すなわち、まずプラスチック容器５の内部の排気開始する(図３（ｄ）の工程)。排気開始からから所定時間経過した排気途中段階で、原料ガスをプラスチック容器５の内部に供給開始する（図３（ｅ）の工程）。このとき、プラスチック容器５の内部の排気と原料ガスの供給とをバランスを取りながら同時に行なって、プラスチック容器５の内部を原料ガスに置換するとともにプラスチック容器５の内圧を所定成膜圧力まで到達させる（図３（ｅ）の工程）。その後、高周波電力を供給して原料ガスをプラズマ化してプラスチック容器の内表面にガスバリア性薄膜を形成する（図３（ｆ）の工程）。成膜終了後、原料ガスの供給を停止し、容器内に空気を導入して（リークさせて）容器内部圧力を大気圧にする（図３（ｇ）の工程）。
【００３４】
容器を排気した後に原料ガスを供給する場合、容器内圧が所定成膜圧力よりも高圧であるときに原料ガスを供給することとなるが、ガスバリア性薄膜の品質を落とさず、且つ生産効率を高くするために次に示すタイミングとすることが好ましい。
【００３５】
すなわち、原料ガス供給のタイミングを排気開始後にずらした場合、この原料ガスの供給開始のタイミングは、原料ガスの供給開始直後に生ずるプラスチック容器５の内圧上昇（図３の内圧上昇１００に相当する）が２６．６Ｐａ以下となるタイミングであることがより好ましい。後に示す実施例からわかるように、供給開始後、原料ガスの供給タイミングが遅くなるほど、原料ガス供給直後の内圧上昇が大きく且つ再度その容器内部圧力に復帰するまでの時間がかかる。したがって、原料ガス供給開始のタイミングは、原料ガスの供給開始直後に生ずるプラスチック容器５の内圧上昇が２６．６Ｐａとなるタイミングよりも早めに供給開始することが好ましい。
【００３６】
原料ガスの供給開始のタイミングは、別の見方から次のように規定することが好ましい。すなわちプラスチック容器の内部を排気開始したのち、数式１で表される時間ｔ経過後に原料ガスの供給を開始する。ただし、原料ガスを供給しないときに所定成膜圧力まで到達するのに要する時間Ｔをする。
【式１】
０≦ｔ≦Ｔ×０．７
【００３７】
原料ガスの供給開始のタイミングは、別の見方からさらに次のように規定することが好ましい。すなわち、プラスチック容器の内部を排気開始したのち、プラスチック容器の内圧が式２で表される内圧Ｐとなったときに原料ガスの供給を開始する。ただし、前記所定成膜圧力をＰ（ｄｅｐｏ）とする。
【式２】
Ｐ＝Ｐ（ｄｅｐｏ）×２．５
【００３８】
特許文献１〜９をはじめとしてプラスチック容器の内表面にＤＬＣ膜を形成する場合に従来行なわれてきた成膜条件プロファイルの一形態を図４に示す。まずプラスチック容器５の内部の排気開始する(図４（ｈ）の工程)。プラスチック容器５の内部をガス置換の目的で、例えば１０−５〜１０−２ｔｏｒｒ（１．３３×１０−３〜１．３３Ｐａ）まで真空引きを行なう。このときの容器内部圧力を到達真空圧力という。真空引きにより、容器内の水蒸気や酸素、窒素等の不純物が取り除かれる。所定の到達真空圧力に達したのち、原料ガスをプラスチック容器５の内部に供給開始する。この原料ガスの供給により容器内部圧力が急上昇する（図４（ｉ）の工程）。その後、プラスチック容器５の内部の排気と原料ガスの供給とを同時に行なって、排気を原料ガス供給よりも強めに行なうようにバランスさせることにより、容器内部圧力が再度降下し始める。このとき、プラスチック容器５の内部が原料ガスで置換される。そして、プラスチック容器５の内圧を所定成膜圧力まで到達させる（図４（ｊ）の工程）。その後、高周波電力を供給して原料ガスをプラズマ化してプラスチック容器の内表面にガスバリア性薄膜を形成する（図４（ｋ）の工程）。成膜終了後、原料ガスの供給を停止し、容器内に空気を導入して（リークさせて）容器内部圧力を大気圧にする（図４（ｌ）の工程）。
【００３９】
図２及び図３で示した成膜条件プロファイルは、成膜圧力と到達真空圧力とは一致している。到達真空圧力とは、容器内のガス置換を行なうことを目的として、成膜の全工程内で最も低い容器内部圧力をいうが、特許文献１に示された従来の到達真空圧力は、１０−５〜１０−２ｔｏｒｒ（１．３３×１０−３〜１．３３Ｐａ）であった。しかし本発明では排気と同時若しくは所定時間経過後に原料ガスを供給して排気量と原料ガス供給量とのバランスにより成膜圧力（６．６５〜６．６５×１０２Ｐａ）に到達させ且つ原料ガスにガス置換させるため、成膜圧力と到達真空圧力とは一致するとともに、１０−５〜１０−２ｔｏｒｒ（１．３３×１０−３〜１．３３Ｐａ）まで容器内部を真空引きする必要がない。しかも、容器内部の排気と原料ガスの供給を同時に行なうことで、図４で示した成膜条件プロファイルを行なう場合と同等のガス置換を行なうことができ、図４の場合と比較して、成膜工程の大幅な時間短縮が可能となる。
【００４０】
上記説明は、プラズマ励起エネルギー源として、高周波電力（ＲＦ）を使用する場合を示した。しかし本実施形態は、高周波電力に限定されず、マイクロ波（ＭＷ）又は誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）をプラズマ励起エネルギー源としても良く、さらには、高周波電力とマイクロ波、高周波電力と誘導結合プラズマ、マイクロ波と誘導結合プラズマ、或いは高周波電力、マイクロ波及び誘導結合プラズマのように組み合わせて使用しても良い。例えば、高周波電力とマイクロ波を組み合わせて成膜する例として特許文献８に開示があり、この文献で開示された製造方法を行なう際に、原料ガスの供給開始のタイミングを上記実施形態で示したタイミングとすることができる。
【００４１】
成膜チャンバが１つのみの製造装置のみならず、成膜チャンバを複数並べて全て同時に成膜チャンバを稼動させるか若しくはタイミングをずらして順次稼動させてガスバリア性薄膜コーティングプラスチック容器を量産する製造装置のいずれについても、本実施形態の製造方法を使用することができる。
【００４２】
本実施形態では、例えば図２で示すように原料ガス供給量を一定とする場合を示したが、図５又は図６に示すように、原料ガス供給量を初期は多めに流し、成膜時は所定流量にしても良い。図５又は図６に示すように原料ガス供給量を初期は多めに流すことで、ガス置換効率を向上させることが可能である。
【００４３】
【実施例】
図１と同等の装置を用い、上記実施形態のうち図２又は図３の成膜条件プロファイルでプラスチック容器の内表面にＤＬＣ膜を成膜した場合の実施例を示す。プラスチック容器は、高さ１５７ｍｍ、胴径６８ｍｍ、口径２８ｍｍ、肉厚０.３５ｍｍ、容量３５０ｍｌ、表面積３２０ｃｍ２の耐熱丸型ＰＥＴボトルを測定用容器とした。高周波電源は１３．５６ＭＨｚの０．６ｋＷに自動整合器及び固定整合器を接続して外電極に接続して用いた。原料ガスは高純度アセチレンガスとした。また、排気系はドライポンプ＋NW80（2m）＋手動バタフライ弁＋チャンバとし、電源系はパール工業６ｋWRF電源＋自動整合器＋固定整合器とし、原料ガス系はマスフローコントローラー（不図示）からガスバルブ（不図示）まで最短接続＋多穴内部電極(φ0.8×32)とした。
【００４４】
本実施例では、次のように定義する。排気開始後、原料ガス供給までのタイムラグを単にタイムラグという。また、排気開始後、原料ガス供給開始までの排気時間を単に排気時間という。原料供給開始後、所定成膜圧力に到達するまでの時間を安定化時間という。
【００４５】
（実施例１）
排気とほぼ同時に原料ガスを供給開始した。すなわち、タイムラグは０秒であり、排気時間は０秒である。原料供給開始時の容器内部圧力は大気圧である。そのときの原料ガス流量を７５ｓｃｃｍとしたとき、成膜圧力を１３．３Ｐａとし、成膜圧力に到達するまでの安定化時間は２．５秒であった。そして所定成膜圧力に到達したのち、高周波電力を５００Ｗ、１．９秒間印加して、膜厚１９ｎｍのＤＬＣ薄膜を耐熱丸型ＰＥＴボトルの内壁面に形成させた。このときの成膜条件を表１にまとめた。また、成膜条件プロファイルを図７に示した。ここで、図７〜図１２において、Ｐｒは高周波の反射波、光はプラズマ発光の照射強度、Ｐｆは高周波電力の出力、Ｐｃはチャンバ内圧力（容器内圧力）である。高周波の反射波を測定することにより、供給した高周波のうちプラズマ発生への寄与した部分が推測できる。すなわち、高周波の反射波が少ないほど高周波エネルギーがプラズマ化エネルギーとなっている。図７〜図１２は、時間経過におけるＰｒ，Ｐｆ、光、Ｐｃをそれぞれモニタリングしたものである。
【表１】
【００４６】
（実施例２）
タイムラグを１．０秒とした。したがって排気時間も１．０秒である。原料ガス流量を７５ｓｃｃｍとする。このとき原料供給開始時の容器内部圧力は、７９．８Ｐａであった。原料ガス供給による容器内部圧力の上昇は、４.０Ｐａであった。成膜圧力を１３．３Ｐａとし、安定化時間は１．７秒であった。そして所定成膜圧力に到達したのち、高周波電力を５００Ｗ、１．９秒間印加して、膜厚１９ｎｍのＤＬＣ薄膜を耐熱丸型ＰＥＴボトルの内壁面に形成させた。このときの成膜条件を表１にまとめた。また、成膜条件プロファイルを図８に示した。
【００４７】
（実施例３）
タイムラグを１．０秒、すなわち排気時間を１．０秒とした。原料ガス流量を７５ｓｃｃｍとする。このとき原料供給開始時の容器内部圧力は、８２．５Ｐａであった。原料ガス供給による容器内部圧力の上昇は、９．３Ｐａであった。成膜圧力を９．３Ｐａとした場合、安定化時間は３．０秒であった。そして所定成膜圧力に到達したのち、高周波電力を５００Ｗ、１．９秒間印加して、膜厚１９ｎｍのＤＬＣ薄膜を耐熱丸型ＰＥＴボトルの内壁面に形成させた。このときの成膜条件を表１にまとめた。また、成膜条件プロファイルを図９に示した。
【００４８】
（実施例４）
タイムラグを１．5秒、すなわち排気時間を１．5秒とした。原料ガス流量を７５ｓｃｃｍとする。このとき原料供給開始時の容器内部圧力は、３４．６Ｐａであった。原料ガス供給による容器内部圧力の上昇は、２７．９Ｐａであった。成膜圧力を１３．３Ｐａとした場合、安定化時間は１．２秒であった。そして所定成膜圧力に到達したのち、高周波電力を５００Ｗ、１．９秒間印加して、膜厚１９ｎｍのＤＬＣ薄膜を耐熱丸型ＰＥＴボトルの内壁面に形成させた。このときの成膜条件を表１にまとめた。また、成膜条件プロファイルを図１０に示した。
【００４９】
（比較例１）
容器内部の到達真空圧力が６．６５Ｐａとなるまで排気を行なった。排気時間は３．５秒であった。そして、原料ガスを供給開始した。原料ガス流量を７５ｓｃｃｍとする。原料ガス供給による容器内部圧力の上昇は、３７．２Ｐａであった。成膜圧力を７．９８Ｐａとした場合、安定化時間は６．５秒であった。そして所定成膜圧力に到達したのち、高周波電力を５００Ｗ、１．９秒間印加して、膜厚１９ｎｍのＤＬＣ薄膜を耐熱丸型ＰＥＴボトルの内壁面に形成させた。このときの成膜条件を表１にまとめた。また、成膜条件プロファイルを図１１に示した。
【００５０】
（比較例２）
容器内部の到達真空圧力が６．６５Ｐａとなるまで排気を行なった。排気時間は３．５秒であった。そして、原料ガスを供給開始した。原料ガス流量を７５ｓｃｃｍとする。原料ガス供給による容器内部圧力の上昇は、３７．２Ｐａであった。成膜圧力を１３．３Ｐａとした場合、安定化時間は１．２秒であった。そして所定成膜圧力に到達したのち、高周波電力を５００Ｗ、１．９秒間印加して、膜厚１９ｎｍのＤＬＣ薄膜を耐熱丸型ＰＥＴボトルの内壁面に形成させた。このときの成膜条件を表１にまとめた。また、成膜条件プロファイルを図１２に示した。
【００５１】
実施例１〜４及び比較例１、２についてＤＬＣ膜の組成分析並びに酸素ガス透過係数の測定を行なった。組成分析は、島津製作所製ＥＳＣＡ８５０を用いて炭素原子、窒素原子及び酸素原子の比率を求めた。水素原子は分析を行なわなかった。また、酸素ガス透過係数は、Ｍｏｃｏｎ社製ＯＸ−ＴＲＡＮ２／２１を用いて、容器を設置して測定開始後４８時間の値を求めた。結果を表２に示す。
【表２】
【００５２】
実施例１〜４及び比較例１、２について、ガス置換の不十分に起因する窒素混入は同程度であり、実施例のガス置換は従来の方法である比較例１及び比較例２と同等に行なわれたといえる。
【００５３】
成膜圧力が同じである実施例１、２及び４と、比較例２とを比較する。排気時間と安定化時間の和は、実施例1が２．５秒、実施例２と実施例４が２．７秒であるのに対して、比較例２は、４．７秒である。なお、比較例２は、成膜圧力よりも低圧の到達真空度にした後、原料ガスを導入して成膜圧力に達した後に成膜を行なう標準的な成膜条件プロファイルの一例である。実施例１は比較例１とを比較すると２．２秒の時間短縮を達成し、実施例２、実施例４は２．０秒の時間短縮を達成している。この時間短縮は成膜全工程の時間短縮につながる。また、この短縮した時間を放電時間に充当することもできる。いずれにしても量産的にガスバリア性薄膜をコーティングする場合に生産効率を大幅に向上させることができる。例えば容器を装置に装着してコーティング後容器を装置に取り出すまでの時間を9秒とすると、比較例２と比較して実施例１において短縮できた時間が２．２秒であることにより、生産効率は９秒／（９秒−２．２秒）＝１．３２の計算より３２％向上する。また、比較例２と比較して実施例２、実施例４において短縮できた時間が２．０秒であることにより、生産効率は同様の計算により２８％向上する。
【００５４】
実施例は、標準的な成膜条件プロファイルを有する比較例２との比較において顕著な生産効率の向上が見込める。実施例１〜４に代表される本実施例に係る成膜条件プロファイルを行なう場合において、本発明では特に原料ガスの供給開始のタイミングを原料ガスの供給開始直後に生ずるプラスチック容器の内圧上昇が２６．６Ｐａ以下なるタイミングとするか或いは式１又は式２によって与えられるタイミングとすることにより、より高い生産効率の向上を実現できる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明は、ガスバリア性薄膜コーティングプラスチック容器を製造するに当たり、ガスバリア性薄膜の品質を維持しつつ、成膜までに要する時間の短縮を図り、その結果、全成膜工程に要する時間短縮を行なうことを可能とし、生産効率を向上させることが出来た。特に本発明は排気手段の構成にかかわりなく、排気手段をいかなる構成とした場合でも広く適用しうる発明である。ガスバリア性薄膜の品質を維持しうるのは、本発明においても容器内部を十分に原料ガスで置換しえているからである。また、本発明はプラズマＣＶＤ法に関する発明であるが、プラズマ励起手段に左右されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】特許文献３の図１に記載された製造装置を示す。
【図２】時間を横軸、プラスチック容器の内圧、原料ガス供給量及び高周波電力出力を縦軸に表した成膜条件プロファイルの一形態である。
【図３】成膜条件プロファイルの第２の形態である。
【図４】成膜条件プロファイルの第３の形態である。
【図５】成膜条件プロファイルの第４の形態である。
【図６】成膜条件プロファイルの第５の形態である。
【図７】実施例１の成膜条件プロファイルを示す図である。
【図８】実施例２の成膜条件プロファイルを示す図である。
【図９】実施例３の成膜条件プロファイルを示す図である。
【図１０】実施例４の成膜条件プロファイルを示す図である。
【図１１】比較例１の成膜条件プロファイルを示す図である。
【図１２】比較例２の成膜条件プロファイルを示す図である。
【図１３】特許文献２の図９を示す。
【符号の説明】
1,基台
2,肩部電極
3,胴部電極
4,底部電極
5,プラスチック容器
6,絶縁体
7,Ｏ−リング
8,整合器
9,高周波発信機
10,収納部
11,内電極
12,管路
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラスチック容器の内表面にガスバリア性薄膜をコーティングする際、原料ガスをプラズマ化するまでの準備時間を短縮することが可能なガスバリア性薄膜コーティングプラスチック容器の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
容器以外の分野でＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜をコーティングする技術としては、ＤＬＣ膜の硬度、耐磨耗に着目して用いられるガイドブッシュ、おさ羽等の保護膜の用途でのＤＬＣ膜がある。このコーティング方法は、一旦反応チャンバ内を３．９９×１０−３Ｐａ（３×１０−５Ｔｏｒｒ）程度まで減圧にして反応チャンバ内の水蒸気や酸素、窒素等の不純物を取り除き、１３．３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）程度の圧力で反応させて成膜していた（例えば非特許文献１を参照。）。この方法では生産性が低いのでコストがかかるものの膜中に不純物の混入は防止でき、基本構成元素である炭素原子と水素原子とからなるＤＬＣ膜を成膜することができる。
【０００３】
容器分野で高周波プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition、化学気相成長）法によるＤＬＣ膜の成膜装置（例えば特許文献１を参照。）では、到達真空圧力を１０−２〜１０−５ｔｏｒｒ（１．３３〜１．３３×１０−３Ｐａ）として反応チャンバ内の水蒸気や酸素、窒素等の不純物を取り除いてから原料ガスを導入していた。そして成膜圧力を０．５〜０．００１ｔｏｒｒ（６６．５〜０．１３３Ｐａ）として成膜していた。しかし、到達真空圧力まで減圧する操作は時間がかかるので生産性を上げることは出来ず、コストをかけず低価格で提供せざるを得ない容器の分野では実製造は不可能である。
【０００４】
そこで、ガスバリア性薄膜、特に炭素膜コーティングプラスチック容器の量産的製造方法が、例えば特許文献２に開示されている。特許文献２には炭素膜コーティングプラスチック容器の量産的製造方法が開示されており、特にプラスチック容器内に供給した原料ガスをプラズマ化するまでの準備時間、すなわち、容器内部を原料で置換し、所定の成膜圧力に到達させるまでに要する時間を短縮する技術が開示されている。特に特許文献２の明細書段落番号（００９１）から（０１０７）及び特許文献２の図９に記載がある。同文献３の図９を本願の図１３に示す。図１３を参照して当該記載を要約すると次の通りである。プラスチック容器の内部を到達真空圧力（凡そ０．５３Ｐａ）まで真空引きし（図１３のａ，ｂ，ｃ）、その後原料ガスを容器内部に供給する。原料ガスの供給開始直後は容器内圧が急上昇し、排気と原料ガスの供給とのバランスによって所定の成膜圧力（凡そ４．２Ｐａ）に到達する（図１３のｄ）。所定の成膜圧力で安定化したのを確認して（図１３のｅ）、高周波電力を外部電極に印加してプラズマを着火させる。これによりプラスチック容器の内壁面に炭素膜をコーティングしている。特許文献２では、真空装置及びその作動サイクルを工夫することで排気能力の効率化を図り、高周波印加までの成膜準備に要する時間の短縮を図る。
【０００５】
【非特許文献１】
ＮＥＷ ＤＩＡＭＯＮＤ，Ｎｏ．４８，ｐ１９−２３（１９９８）
【特許文献１】
特開平０８−０５３１１７号公報、段落００２９〜００３０
【特許文献２】
特開平１０−２５８８２５号公報、図９
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
容器内部にＤＬＣ膜などのガスバリア性薄膜をプラズマＣＶＤ法により成膜する場合、原料ガス系プラズマを着火して成膜を行なうまでに、容器内部を原料ガスに置換し、且つ容器内部圧力を成膜圧力に調整する操作が必要となる。本発明は、これらの操作に要する時間を短縮することを目的とする。特許文献２では、複数の真空ポンプを稼動させて、早期に到達真空圧力まで減圧させる方法を提案しているが、本発明は排気手段の構成にかかわりなく、排気手段をいかなる構成とした場合でも適用可能な製造方法を提案するものである。すなわち、容器内部の原料ガスへの置換操作と容器内部圧力を成膜圧力に調整する操作を同時に行ない、短時間で終了させる製造方法を提案するものである。
【０００７】
本発明は、成膜圧力よりも減圧するような高度な真空引きを行なわずに、成膜圧力まで到達したのちすぐに成膜を行なうことが出来るように調整することで、高度な真空引きに要する所要時間を短縮することを目的とする。このとき、初期に高度な真空引きを行なう理由は容器内部を十分に原料ガスで置換するためであるが、原料ガスの供給のタイミングを制御することで従来行なってきたレベルまでの真空引きを行なうことなく同等のガスバリア膜を得ることができる成膜方法を提供する。
【０００８】
本発明は、プラズマＣＶＤ法により容器内表面にガスバリア性薄膜を成膜する方法を提供するものであり、プラズマ励起手段に左右されるものではないが、特に適したプラズマ励起エネルギー源として、高周波電力（ＲＦ）、マイクロ波（ＭＷ）又は誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）の少なくともいずれか一つを用いるガスバリア性薄膜コーティングプラスチック容器の製造方法を提供することを目的とする。ここで、プラズマ励起エネルギーの違いにより所定成膜圧力は少しずつ異なる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るガスバリア性薄膜コーティングプラスチック容器の製造方法は、プラスチック容器の内部を排気開始すると同時に若しくは前記プラスチック容器の内部を排気開始したのち、式１で表される時間ｔを経過したときの排気途中段階で、プラズマＣＶＤ法によりガスバリア性薄膜を形成するための原料ガスを前記プラスチック容器の内部に供給開始し、前記プラスチック容器の内部の排気と前記原料ガスの供給とを同時に行なって前記プラスチック容器の内部を前記原料ガスに置換するとともに前記プラスチック容器の内圧を所定成膜圧力まで到達させたのち、前記原料ガスをプラズマ化して前記プラスチック容器の内表面にガスバリア性薄膜を形成することを特徴とする。ただし、前記原料ガスを供給しないときに前記所定成膜圧力まで到達するのに要する時間Ｔをする。
【式１】
０≦ｔ≦Ｔ×０．７
【００１０】
本発明に係るガスバリア性薄膜コーティングプラスチック容器の製造方法では、前記所定成膜圧力は全工程内で最も低い容器内部圧力であり、該所定成膜圧力は１．３３〜６．６５×１０２Ｐａとすることが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係るガスバリア性薄膜コーティングプラスチック容器の製造方法では、前記プラスチック容器の内部を排気開始したのち、前記プラスチック容器の内圧が式２で表される内圧Ｐとなったときに前記原料ガスの供給を開始することがより好ましい。ただし、前記所定成膜圧力をＰ（ｄｅｐｏ）とする。
【式２】
Ｐ＝Ｐ（ｄｅｐｏ）×２．５
【００１４】
さらに本発明に係るガスバリア性薄膜コーティングプラスチック容器の製造方法では、高周波電力（ＲＦ）、マイクロ波（ＭＷ）又は誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）の少なくともいずれか一つをプラズマ励起エネルギーとして前記原料ガスをプラズマ化することが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について発明の実施形態及び実施例を示して詳細に説明するが本発明はこれらの記載に限定して解釈されない。
【００１６】
本発明は、プラスチック容器の内表面にガスバリア性薄膜を形成することが可能な製造装置を用いて、排気、原料ガスの供給、プラズマ励起エネルギーの供給等の成膜条件及びタイミングを規定するものである。したがって、本発明は製造装置に限定されるものではなく、各種製造装置において適用し、実現可能である。特許文献１及び特許文献２に開示された製造装置のみならず、例えば、下記に列挙した特許文献３〜９に示された製造装置を使用することも可能である。
【特許文献３】
ＷＯ００／０７１７８０Ａ１号公報
【特許文献４】
ＷＯ０１／０３２５１３Ａ１号公報
【特許文献５】
ＷＯ０２／０４９９２５Ａ１号公報
【特許文献６】
ＷＯ０２／０５１７０７Ａ１号公報
【特許文献７】
ＷＯ０３／０００５５８Ａ１号公報
【特許文献８】
ＷＯ０３／０００５５９Ａ１号公報
【００１７】
本実施形態においてガスバリア性薄膜としては、ＳｉＯｘ、ＤＬＣ、Ｓｉ含有ＤＬＣ、ポリマーライクカーボン、酸化アルミニウム又はポリマーライク窒化珪素が例示できる。この中でＤＬＣは酸素バリア性及び水蒸気バリア性に優れ、化学的に不活性、炭素及び水素を主成分とする為、プラスチックと同様の処分が可能であること、柔軟であるのでプラスチックの伸縮に追随性があることから特に好ましい。本発明でいうＤＬＣ膜とは、ｉカーボン膜又は水素化アモルファスカーボン膜(ａ−Ｃ：Ｈ) と呼ばれる膜のことであり、硬質炭素膜も含まれる。またＤＬＣ膜はアモルファス状の炭素膜であり、ＳＰ３結合も有する。このＤＬＣ膜を成膜する原料ガスとしては炭化水素系ガス、例えばアセチレンガスを用い、Ｓｉ含有ＤＬＣ膜を成膜する原料ガスとしてはＳｉ含有炭化水素系ガスを用いる。このようなＤＬＣ膜をプラスチック容器の内表面に形成することにより、炭酸飲料や発泡飲料等の容器としてワンウェイ、リターナブルに使用可能な容器を得る。
【００１８】
本実施形態では、特許文献３に記載された製造装置（特許文献３の図１）を使用する場合を一例として説明する。図１に特許文献３の図１に記載された製造装置を示す。まず、図１を参照してプラスチック容器の内表面へガスバリア性薄膜を成膜するためのＣＶＤ成膜装置について簡単に説明する。
【００１９】
図１は、本装置の電極構成等を示す図である。図１に示すように、本装置は基台１と、基台１に取り付けられた肩部電極２及び胴部電極３と、胴部電極３に対して着脱可能とされた底部電極４とを備える。さらに図１に示すように、肩部電極２、胴部電極３及び底部電極４は、それぞれプラスチック容器５の外形に即した形状の内壁面を有する。肩部電極２、胴部電極３及び底部電極４は、本装置の外電極を構成する。本実施例では外電極を成膜チャンバとする。
【００２０】
底部電極４を胴部電極３に対して取り付けたとき、基台１、肩部電極２、胴部電極３及び底部電極４は、互いに気密的に取り付けられた状態となる。そして、これらはプラスチック容器５を収納する収納部１０を備える真空チャンバとして機能する。さらに図１の装置は、真空チャンバ及び容器内部を排気する排気手段（不図示）を備える。
【００２１】
収納部１０には内電極１１が設けられている。内電極１１は、収納部１０に収容されたプラスチック容器５の内部に挿入される。内電極１１は電気的にグランド電位に接続されている。
【００２２】
内電極１１は、中空形状(筒状)に形成されている。また、内電極１１の下端には、内電極１１の内外を連通させる１つの吹き出し孔(不図示)が形成されている。内電極１１には内電極１１の内部と連通される管路１２が接続されている。本装置には管路１２の上流側には原料ガス供給手段（不図示）が備えてある。そして管路１２を介して内電極１１内に送り込まれた原料ガスが、この吹き出し孔を介してプラスチック容器５内に放出できるよう構成されている。なお、管路１２は金属製であり導電性を有する。そして図１に示すように、管路１２を利用して内電極１１がグランド電位に接続されている。
【００２３】
図１に示すように、底部電極４には整合器８を介して高周波発振器９の出力端が接続されている。高周波発振器９は、グランド電位との間に高周波電圧を発生させ、これにより内電極１１と底部電極４との間に高周波電圧が印加される。高周波電源として、１３．５６ＭＨｚの周波数のものを使用する。
【００２４】
次に、例示した図１のＣＶＤ成膜装置を用いて、プラスチック容器５の内表面にＤＬＣ膜を形成する場合の手順について説明する。
【００２５】
プラスチック容器５はその底部が底部電極４の内面に接触するようにセットされる。そして底部電極４が上昇することにより、プラスチック容器５は収納部１０に収納される。このとき収納部１０に設けられた内電極１１が、プラスチック容器５の口(上端の開口)を介してプラスチック容器５の内部に挿入される。
【００２６】
底部電極４が所定の位置まで上昇して収納部１０が密閉されたとき、プラスチック容器５の外周は肩部電極２、胴部電極３及び底部電極４の内面に接触した状態となる。
【００２７】
プラスチック容器５を収容した後の成膜条件プロファイルを図２に示した。図２は、時間を横軸、プラスチック容器の内圧、原料ガス供給量及び高周波電力出力を縦軸に表した成膜条件プロファイルの一形態である。
【００２８】
不図示の真空装置により、収納部１０内の空気が基台１の排気口１Ａを介して排気される。ここで、排気開始と同時に、管路１２を介して原料ガス(例えば、脂肪族炭化水素類、芳香族炭化水素類等の炭素源ガス)を内電極１１の吹き出し孔からプラスチック容器５の内部に導入開始する（図２（ａ）の工程）。これにより容器内が原料ガスで置換されると同時に所定成膜圧力まで減圧される。容器内部圧力は図２（ａ）に示すようなプロファイルを描く。
【００２９】
原料ガス置換が行なわれ且つ容器内部圧力が所定成膜圧力、例えば６．６５〜６．６５×１０２Ｐａとなった後、高周波発振器９を動作させることにより内電極１１と外電極との間に高周波電圧を印加し、プラスチック容器５内に原料ガス系プラズマを発生させる（図２（ｂ）の工程）。すなわち、このプラスチック容器５の内表面におけるＤＬＣ膜の形成は、プラズマＣＶＤ法によって行われる。これによって、プラスチック容器５の内表面にＤＬＣ膜が形成される。このとき、成膜圧力は原料ガスの消費にともない多少変動する。印加する高周波電力としては、４００〜５００Ｗ程度が適正な電力であった。高周波電力の供給時間により膜厚が制御でき、５〜１５０ｎｍである。また成膜速度は原料濃度、高周波電力の供給量、成膜圧力により制御できるが、１秒間で５〜１５ｎｍの成膜速度を有していた。
【００３０】
本実施形態に係る原料ガスとしては、原料ガスを構成する炭素源ガスとしては、常温で気体又は液体の脂肪族炭化水素類、芳香族炭化水素類、含酸素炭化水素類、含窒素炭化水素類などが使用される。例えば(１)メタン系として、メタンCH４、エタンC2H6、プロパンC3H6、ブタンC4H10、(２)エチレン系としてエチレンC2H4、プロピレンC3H6、ブチレンC4H8(3つの異性体)、（３）アセチレン系としてアセチレンC2H2、メチルアセチレンC3H4、エチルアセチレン（C4H6）、（４）その他としてノルマルヘキサンC6H14、シクロヘキサンC6H12、（５）芳香族としてベンゼンC6H6、トルエンC6H5CH3、キシレンC6H4（CH3）2が例示できる。特に炭素数が６以上のベンゼン，トルエン，o-キシレン，m-キシレン，p-キシレン，シクロヘキサン等が望ましい。ただし食品等の容器に使用する場合には、衛生上の観点から脂肪族炭化水素類、特にメタン系炭化水素、エチレン系炭化水素、アセチレン系炭化水素が好ましい。これらの炭素源ガスは、原料ガスとして単独で用いても良いが、２種以上の混合ガスとして使用するようにしても良い。さらにこれらのガスをアルゴンやヘリウムの様な希ガスで希釈して用いる様にしても良い。また、ケイ素含有ＤＬＣ膜を成膜する場合には、Ｓｉ含有炭化水素系ガスを使用する。
【００３１】
ＳｉＯｘの膜は、液体のヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳ）などの有機シリコンや気体のシラン（ＳｉＨ４）を原料として、酸化させるための酸素とキャリアガスのヘリウム（使用しない場合もある。）と共にコートする。また、Ａｌ２Ｏ３膜はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）と酸素を原料とする。さらに窒化珪素膜は：（ＳｉＨ４／ＮＨ３）と酸素を原料とする。
【００３２】
成膜終了後、原料ガスの供給を停止し、容器内に空気を導入して（リークさせて）容器内部圧力を大気圧にする（図２（ｃ）の工程）。
【００３３】
図２では、図２（ａ）で示したごとく、容器内の排気と原料ガスの供給を同時に開始する場合を示したが、図３に示すように、原料ガス供給のタイミングを排気開始後にずらしても良い。すなわち、まずプラスチック容器５の内部の排気開始する(図３（ｄ）の工程)。排気開始からから所定時間経過した排気途中段階で、原料ガスをプラスチック容器５の内部に供給開始する（図３（ｅ）の工程）。このとき、プラスチック容器５の内部の排気と原料ガスの供給とをバランスを取りながら同時に行なって、プラスチック容器５の内部を原料ガスに置換するとともにプラスチック容器５の内圧を所定成膜圧力まで到達させる（図３（ｅ）の工程）。その後、高周波電力を供給して原料ガスをプラズマ化してプラスチック容器の内表面にガスバリア性薄膜を形成する（図３（ｆ）の工程）。成膜終了後、原料ガスの供給を停止し、容器内に空気を導入して（リークさせて）容器内部圧力を大気圧にする（図３（ｇ）の工程）。
【００３４】
容器を排気した後に原料ガスを供給する場合、容器内圧が所定成膜圧力よりも高圧であるときに原料ガスを供給することとなるが、ガスバリア性薄膜の品質を落とさず、且つ生産効率を高くするために次に示すタイミングとすることが好ましい。
【００３５】
すなわち、原料ガス供給のタイミングを排気開始後にずらした場合、この原料ガスの供給開始のタイミングは、原料ガスの供給開始直後に生ずるプラスチック容器５の内圧上昇（図３の内圧上昇１００に相当する）が２６．６Ｐａ以下となるタイミングであることがより好ましい。後に示す実施例からわかるように、供給開始後、原料ガスの供給タイミングが遅くなるほど、原料ガス供給直後の内圧上昇が大きく且つ再度その容器内部圧力に復帰するまでの時間がかかる。したがって、原料ガス供給開始のタイミングは、原料ガスの供給開始直後に生ずるプラスチック容器５の内圧上昇が２６．６Ｐａとなるタイミングよりも早めに供給開始することが好ましい。
【００３６】
原料ガスの供給開始のタイミングは、別の見方から次のように規定することが好ましい。すなわちプラスチック容器の内部を排気開始したのち、数式１で表される時間ｔ経過後に原料ガスの供給を開始する。ただし、原料ガスを供給しないときに所定成膜圧力まで到達するのに要する時間Ｔをする。
【式１】
０≦ｔ≦Ｔ×０．７
【００３７】
原料ガスの供給開始のタイミングは、別の見方からさらに次のように規定することが好ましい。すなわち、プラスチック容器の内部を排気開始したのち、プラスチック容器の内圧が式２で表される内圧Ｐとなったときに原料ガスの供給を開始する。ただし、前記所定成膜圧力をＰ（ｄｅｐｏ）とする。
【式２】
Ｐ＝Ｐ（ｄｅｐｏ）×２．５
【００３８】
特許文献１〜９をはじめとしてプラスチック容器の内表面にＤＬＣ膜を形成する場合に従来行なわれてきた成膜条件プロファイルの一形態を図４に示す。まずプラスチック容器５の内部の排気開始する(図４（ｈ）の工程)。プラスチック容器５の内部をガス置換の目的で、例えば１０−５〜１０−２ｔｏｒｒ（１．３３×１０−３〜１．３３Ｐａ）まで真空引きを行なう。このときの容器内部圧力を到達真空圧力という。真空引きにより、容器内の水蒸気や酸素、窒素等の不純物が取り除かれる。所定の到達真空圧力に達したのち、原料ガスをプラスチック容器５の内部に供給開始する。この原料ガスの供給により容器内部圧力が急上昇する（図４（ｉ）の工程）。その後、プラスチック容器５の内部の排気と原料ガスの供給とを同時に行なって、排気を原料ガス供給よりも強めに行なうようにバランスさせることにより、容器内部圧力が再度降下し始める。このとき、プラスチック容器５の内部が原料ガスで置換される。そして、プラスチック容器５の内圧を所定成膜圧力まで到達させる（図４（ｊ）の工程）。その後、高周波電力を供給して原料ガスをプラズマ化してプラスチック容器の内表面にガスバリア性薄膜を形成する（図４（ｋ）の工程）。成膜終了後、原料ガスの供給を停止し、容器内に空気を導入して（リークさせて）容器内部圧力を大気圧にする（図４（ｌ）の工程）。
【００３９】
図２及び図３で示した成膜条件プロファイルは、成膜圧力と到達真空圧力とは一致している。到達真空圧力とは、容器内のガス置換を行なうことを目的として、成膜の全工程内で最も低い容器内部圧力をいうが、特許文献１に示された従来の到達真空圧力は、１０−５〜１０−２ｔｏｒｒ（１．３３×１０−３〜１．３３Ｐａ）であった。しかし本発明では排気と同時若しくは所定時間経過後に原料ガスを供給して排気量と原料ガス供給量とのバランスにより成膜圧力（６．６５〜６．６５×１０２Ｐａ）に到達させ且つ原料ガスにガス置換させるため、成膜圧力と到達真空圧力とは一致するとともに、１０−５〜１０−２ｔｏｒｒ（１．３３×１０−３〜１．３３Ｐａ）まで容器内部を真空引きする必要がない。しかも、容器内部の排気と原料ガスの供給を同時に行なうことで、図４で示した成膜条件プロファイルを行なう場合と同等のガス置換を行なうことができ、図４の場合と比較して、成膜工程の大幅な時間短縮が可能となる。
【００４０】
上記説明は、プラズマ励起エネルギー源として、高周波電力（ＲＦ）を使用する場合を示した。しかし本実施形態は、高周波電力に限定されず、マイクロ波（ＭＷ）又は誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）をプラズマ励起エネルギー源としても良く、さらには、高周波電力とマイクロ波、高周波電力と誘導結合プラズマ、マイクロ波と誘導結合プラズマ、或いは高周波電力、マイクロ波及び誘導結合プラズマのように組み合わせて使用しても良い。例えば、高周波電力とマイクロ波を組み合わせて成膜する例として特許文献８に開示があり、この文献で開示された製造方法を行なう際に、原料ガスの供給開始のタイミングを上記実施形態で示したタイミングとすることができる。
【００４１】
成膜チャンバが１つのみの製造装置のみならず、成膜チャンバを複数並べて全て同時に成膜チャンバを稼動させるか若しくはタイミングをずらして順次稼動させてガスバリア性薄膜コーティングプラスチック容器を量産する製造装置のいずれについても、本実施形態の製造方法を使用することができる。
【００４２】
本実施形態では、例えば図２で示すように原料ガス供給量を一定とする場合を示したが、図５又は図６に示すように、原料ガス供給量を初期は多めに流し、成膜時は所定流量にしても良い。図５又は図６に示すように原料ガス供給量を初期は多めに流すことで、ガス置換効率を向上させることが可能である。
【００４３】
【実施例】
図１と同等の装置を用い、上記実施形態のうち図２又は図３の成膜条件プロファイルでプラスチック容器の内表面にＤＬＣ膜を成膜した場合の実施例を示す。プラスチック容器は、高さ１５７ｍｍ、胴径６８ｍｍ、口径２８ｍｍ、肉厚０.３５ｍｍ、容量３５０ｍｌ、表面積３２０ｃｍ２の耐熱丸型ＰＥＴボトルを測定用容器とした。高周波電源は１３．５６ＭＨｚの０．６ｋＷに自動整合器及び固定整合器を接続して外電極に接続して用いた。原料ガスは高純度アセチレンガスとした。また、排気系はドライポンプ＋NW80（2m）＋手動バタフライ弁＋チャンバとし、電源系はパール工業６ｋWRF電源＋自動整合器＋固定整合器とし、原料ガス系はマスフローコントローラー（不図示）からガスバルブ（不図示）まで最短接続＋多穴内部電極(φ0.8×32)とした。
【００４４】
本実施例では、次のように定義する。排気開始後、原料ガス供給までのタイムラグを単にタイムラグという。また、排気開始後、原料ガス供給開始までの排気時間を単に排気時間という。原料供給開始後、所定成膜圧力に到達するまでの時間を安定化時間という。
【００４５】
（実施例１）
排気とほぼ同時に原料ガスを供給開始した。すなわち、タイムラグは０秒であり、排気時間は０秒である。原料供給開始時の容器内部圧力は大気圧である。そのときの原料ガス流量を７５ｓｃｃｍとしたとき、成膜圧力を１３．３Ｐａとし、成膜圧力に到達するまでの安定化時間は２．５秒であった。そして所定成膜圧力に到達したのち、高周波電力を５００Ｗ、１．９秒間印加して、膜厚１９ｎｍのＤＬＣ薄膜を耐熱丸型ＰＥＴボトルの内壁面に形成させた。このときの成膜条件を表１にまとめた。また、成膜条件プロファイルを図７に示した。ここで、図７〜図１２において、Ｐｒは高周波の反射波、光はプラズマ発光の照射強度、Ｐｆは高周波電力の出力、Ｐｃはチャンバ内圧力（容器内圧力）である。高周波の反射波を測定することにより、供給した高周波のうちプラズマ発生への寄与した部分が推測できる。すなわち、高周波の反射波が少ないほど高周波エネルギーがプラズマ化エネルギーとなっている。図７〜図１２は、時間経過におけるＰｒ，Ｐｆ、光、Ｐｃをそれぞれモニタリングしたものである。
【表１】
（実施例２）
タイムラグを１．０秒とした。したがって排気時間も１．０秒である。原料ガス流量を７５ｓｃｃｍとする。このとき原料供給開始時の容器内部圧力は、７９．８Ｐａであった。原料ガス供給による容器内部圧力の上昇は、４.０Ｐａであった。成膜圧力を１３．３Ｐａとし、安定化時間は１．７秒であった。そして所定成膜圧力に到達したのち、高周波電力を５００Ｗ、１．９秒間印加して、膜厚１９ｎｍのＤＬＣ薄膜を耐熱丸型ＰＥＴボトルの内壁面に形成させた。このときの成膜条件を表１にまとめた。また、成膜条件プロファイルを図８に示した。
【００４７】
（実施例３）
タイムラグを１．０秒、すなわち排気時間を１．０秒とした。原料ガス流量を７５ｓｃｃｍとする。このとき原料供給開始時の容器内部圧力は、８２．５Ｐａであった。原料ガス供給による容器内部圧力の上昇は、９．３Ｐａであった。成膜圧力を９．３Ｐａとした場合、安定化時間は３．０秒であった。そして所定成膜圧力に到達したのち、高周波電力を５００Ｗ、１．９秒間印加して、膜厚１９ｎｍのＤＬＣ薄膜を耐熱丸型ＰＥＴボトルの内壁面に形成させた。このときの成膜条件を表１にまとめた。また、成膜条件プロファイルを図９に示した。
【００４８】
（実施例４）
タイムラグを１．5秒、すなわち排気時間を１．5秒とした。原料ガス流量を７５ｓｃｃｍとする。このとき原料供給開始時の容器内部圧力は、３４．６Ｐａであった。原料ガス供給による容器内部圧力の上昇は、２７．９Ｐａであった。成膜圧力を１３．３Ｐａとした場合、安定化時間は１．２秒であった。そして所定成膜圧力に到達したのち、高周波電力を５００Ｗ、１．９秒間印加して、膜厚１９ｎｍのＤＬＣ薄膜を耐熱丸型ＰＥＴボトルの内壁面に形成させた。このときの成膜条件を表１にまとめた。また、成膜条件プロファイルを図１０に示した。
【００４９】
（比較例１）
容器内部の到達真空圧力が６．６５Ｐａとなるまで排気を行なった。排気時間は３．５秒であった。そして、原料ガスを供給開始した。原料ガス流量を７５ｓｃｃｍとする。原料ガス供給による容器内部圧力の上昇は、３７．２Ｐａであった。成膜圧力を７．９８Ｐａとした場合、安定化時間は６．５秒であった。そして所定成膜圧力に到達したのち、高周波電力を５００Ｗ、１．９秒間印加して、膜厚１９ｎｍのＤＬＣ薄膜を耐熱丸型ＰＥＴボトルの内壁面に形成させた。このときの成膜条件を表１にまとめた。また、成膜条件プロファイルを図１１に示した。
【００５０】
（比較例２）
容器内部の到達真空圧力が６．６５Ｐａとなるまで排気を行なった。排気時間は３．５秒であった。そして、原料ガスを供給開始した。原料ガス流量を７５ｓｃｃｍとする。原料ガス供給による容器内部圧力の上昇は、３７．２Ｐａであった。成膜圧力を１３．３Ｐａとした場合、安定化時間は１．２秒であった。そして所定成膜圧力に到達したのち、高周波電力を５００Ｗ、１．９秒間印加して、膜厚１９ｎｍのＤＬＣ薄膜を耐熱丸型ＰＥＴボトルの内壁面に形成させた。このときの成膜条件を表１にまとめた。また、成膜条件プロファイルを図１２に示した。
【００５１】
実施例１〜４及び比較例１、２についてＤＬＣ膜の組成分析並びに酸素ガス透過係数の測定を行なった。組成分析は、島津製作所製ＥＳＣＡ８５０を用いて炭素原子、窒素原子及び酸素原子の比率を求めた。水素原子は分析を行なわなかった。また、酸素ガス透過係数は、Ｍｏｃｏｎ社製ＯＸ−ＴＲＡＮ２／２１を用いて、容器を設置して測定開始後４８時間の値を求めた。結果を表２に示す。
【表２】
実施例１〜４及び比較例１、２について、ガス置換の不十分に起因する窒素混入は同程度であり、実施例のガス置換は従来の方法である比較例１及び比較例２と同等に行なわれたといえる。
【００５３】
成膜圧力が同じである実施例１、２及び４と、比較例２とを比較する。排気時間と安定化時間の和は、実施例1が２．５秒、実施例２と実施例４が２．７秒であるのに対して、比較例２は、４．７秒である。なお、比較例２は、成膜圧力よりも低圧の到達真空度にした後、原料ガスを導入して成膜圧力に達した後に成膜を行なう標準的な成膜条件プロファイルの一例である。実施例１は比較例１とを比較すると２．２秒の時間短縮を達成し、実施例２、実施例４は２．０秒の時間短縮を達成している。この時間短縮は成膜全工程の時間短縮につながる。また、この短縮した時間を放電時間に充当することもできる。いずれにしても量産的にガスバリア性薄膜をコーティングする場合に生産効率を大幅に向上させることができる。例えば容器を装置に装着してコーティング後容器を装置に取り出すまでの時間を9秒とすると、比較例２と比較して実施例１において短縮できた時間が２．２秒であることにより、生産効率は９秒／（９秒−２．２秒）＝１．３２の計算より３２％向上する。また、比較例２と比較して実施例２、実施例４において短縮できた時間が２．０秒であることにより、生産効率は同様の計算により２８％向上する。
【００５４】
実施例は、標準的な成膜条件プロファイルを有する比較例２との比較において顕著な生産効率の向上が見込める。実施例１〜４に代表される本実施例に係る成膜条件プロファイルを行なう場合において、本発明では特に原料ガスの供給開始のタイミングを原料ガスの供給開始直後に生ずるプラスチック容器の内圧上昇が２６．６Ｐａ以下なるタイミングとするか或いは式１又は式２によって与えられるタイミングとすることにより、より高い生産効率の向上を実現できる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明は、ガスバリア性薄膜コーティングプラスチック容器を製造するに当たり、ガスバリア性薄膜の品質を維持しつつ、成膜までに要する時間の短縮を図り、その結果、全成膜工程に要する時間短縮を行なうことを可能とし、生産効率を向上させることが出来た。特に本発明は排気手段の構成にかかわりなく、排気手段をいかなる構成とした場合でも広く適用しうる発明である。ガスバリア性薄膜の品質を維持しうるのは、本発明においても容器内部を十分に原料ガスで置換しえているからである。また、本発明はプラズマＣＶＤ法に関する発明であるが、プラズマ励起手段に左右されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】特許文献３の図１に記載された製造装置を示す。
【図２】時間を横軸、プラスチック容器の内圧、原料ガス供給量及び高周波電力出力を縦軸に表した成膜条件プロファイルの一形態である。
【図３】成膜条件プロファイルの第２の形態である。
【図４】成膜条件プロファイルの第３の形態である。
【図５】成膜条件プロファイルの第４の形態である。
【図６】成膜条件プロファイルの第５の形態である。
【図７】実施例１の成膜条件プロファイルを示す図である。
【図８】実施例２の成膜条件プロファイルを示す図である。
【図９】実施例３の成膜条件プロファイルを示す図である。
【図１０】実施例４の成膜条件プロファイルを示す図である。
【図１１】比較例１の成膜条件プロファイルを示す図である。
【図１２】比較例２の成膜条件プロファイルを示す図である。
【図１３】特許文献２の図９を示す。
【符号の説明】
1,基台
2,肩部電極
3,胴部電極
4,底部電極
5,プラスチック容器
6,絶縁体
7,Ｏ−リング
8,整合器
9,高周波発信機
10,収納部
11,内電極
12,管路
Claims (4)
- プラスチック容器の内部を排気開始すると同時に若しくは前記プラスチック容器の内部を排気開始したのち、式１で表される時間ｔを経過したときの排気途中段階で、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、化学気相成長）法によりガスバリア性薄膜を形成するための原料ガスを前記プラスチック容器の内部に供給開始し、前記プラスチック容器の内部の排気と前記原料ガスの供給とを同時に行なって前記プラスチック容器の内部を前記原料ガスに置換するとともに前記プラスチック容器の内圧を所定成膜圧力まで到達させたのち、前記原料ガスをプラズマ化して前記プラスチック容器の内表面にガスバリア性薄膜を形成することを特徴とするガスバリア性薄膜コーティングプラスチック容器の製造方法。
ただし、前記原料ガスを供給しないときに前記所定成膜圧力まで到達するのに要する時間Ｔをする。
【式１】
０≦ｔ≦Ｔ×０．７ - 前記所定成膜圧力は全工程内で最も低い容器内部圧力であり、該所定成膜圧力は１．３３〜６．６５×１０２Ｐａ（０．０１〜５．００ｔｏｒｒ）であることを特徴とする請求項１記載のガスバリア性薄膜コーティングプラスチック容器の製造方法。
- 前記プラスチック容器の内部を排気開始したのち、前記プラスチック容器の内圧が式２で表される内圧Ｐとなったときに前記原料ガスの供給を開始することを特徴とする請求項１又は２記載のガスバリア性薄膜コーティングプラスチック容器の製造方法。
ただし、前記所定成膜圧力をＰ（ｄｅｐｏ）とする。
【式２】
Ｐ＝Ｐ（ｄｅｐｏ）×２．５ - 高周波電力（ＲＦ）、マイクロ波（ＭＷ）又は誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）の少なくともいずれか一つをプラズマ励起エネルギーとして前記原料ガスをプラズマ化することを特徴とする請求項１、２又は３記載のガスバリア性薄膜コーティングプラスチック容器の製造方法。
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