JP4917904B2 - 成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板の表面に直流プラズマを用いて電界電子放出用の炭素膜を成膜する成膜装置に関するものである。

基板表面にカーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、等のｎｍサイズの微小な先端エッジを持つ炭素膜を成膜し、この炭素膜が備える多数の先端エッジに電界を集中させて電界電子放出させる技術が既に提案されている。

このような基板として例えばワイヤの表面に炭素膜を成膜して炭素膜付きワイヤとなし、この炭素膜付きワイヤを陰極(冷陰極電子源)として、陽極に対向配置し、これらの間に電圧を印加してワイヤ表面から電界電子放出する真空デバイスがある。この真空デバイスには、例えばフィールドエミッションランプ、マイクロマシンデバイス、電子顕微鏡、赤外センサー等の各種がある。このような陰極ワイヤを、より軽量コンパクトな構成にして量産性が高くかつ安価に製造することができる成膜装置が要望されている。
特開２００５−３０７３５２号公報

本発明は、ワイヤ状の冷陰極電子源を軽量コンパクトな構成で量産性が高くかつ安価に製造することができる成膜装置を提供するものである。

本発明による成膜装置は、内部にワイヤ搬送路を設定した真空槽と、複数の導電性ワイヤを並列させた状態で順次上記ワイヤ搬送路に搬入、搬出させる搬送手段と、上記ワイヤ搬送路を挟んで配置され各々上記導電性ワイヤの長手方向に延びるとともに当該導電性ワイヤ長さより短く形成された一対の対向電極からなり、上記導電性ワイヤの長手方向に対して任意の位置に配置した電極対と、上記電極対に直流負電圧を印加する第１直流電源と、上記搬送手段を介して上記導電性ワイヤに直流負電圧を印加する第２直流電源と、を備え、上記真空槽内部に炭素膜成膜用ガスを導入し、上記第１直流電源にて上記対向電極に直流負電圧を印加して、上記対向電極間にプラズマを閉じ込めた状態で発生させ、上記第２直流電源にて上記導電性ワイヤに直流負電圧を印加した状態で、上記搬送手段にて上記並列させた複数の導電性ワイヤを順次上記プラズマを発生させた対向電極間を通過させ、上記導電性ワイヤの表面に炭素膜を成膜することを特徴とするものである。

上記一対の対向電極は、半筒状、平板状の電極を含む。

上記導電性ワイヤは特に名称に限定されるものではなく、断面が円形、矩形等を含むものであり、例えば基板状のものを含むことができる。

本発明の成膜装置では、導電性ワイヤを搬送手段により搬送路上を搬送させ、両対向電極間にプラズマを閉じ込めた状態で発生させつつ、電極対を導電性ワイヤ上の任意の位置に配置することにより導電性ワイヤの任意表面に炭素膜を成膜することができる。

したがって、本発明の成膜装置では、電極対をワイヤ搬送路上に列状に配置し各電極対をワイヤに沿い移動可能とすると、ワイヤ搬送路上の導電性ワイヤに炭素膜を効率的に成膜することができ、冷陰極電子源を安価に量産することができる。特に、本発明の成膜装置では、電極対の長さがワイヤ長さより短いので、成膜装置の軽量化とコンパクト化とを図ることができる。

本発明の成膜装置によれば、ワイヤ状の冷陰極電子源を安価かつ効率的に量産することができる。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態に係る成膜装置を説明する。

図１ないし図７を参照して本発明の実施の形態の成膜装置を説明する。図１ないし図３をまず参照して、成膜装置２は、直流プラズマＣＶＤにより導電性ワイヤの表面に電界電子放出することができる炭素膜を成膜して、真空デバイスの陰極に用いることができるワイヤ状冷陰極電子源を製造する装置である。

この成膜装置２は、真空槽４、ガスボンベ６、ガス圧力／流量調節回路８、排気制御弁（真空バルブ）１０、真空排気系１２、直流電源１４，２８、制御装置１６を備える。

ガスボンベ６は、水素ガスと炭化水素ガスとの混合ガス（ＣＨ４／Ｈ２）あるいは水素ガスと窒素と炭化水素ガスとの混合ガス（ＣＨ４／Ｈ２／Ｎ２）が収納されている。調節回路８は、ガスボンベ６からのガスの圧力と流量とを調節する。真空排気系１２は、排気制御弁１０を介して真空槽２内を真空引きする。

真空槽２は接地されている。真空槽２の内部には、ワイヤ搬送路３０が設定されている。

このワイヤ搬送路３０を挟んで配置された一対の半円筒状の対向電極１８ａ，１８ｂからなる電極対１８ｃが、複数、一列になって配置されている。なお、一方側の対向電極１８ａは総称符号であり、個別符号では１８ａ１〜１８ａ４，他方側の対向電極１８ｂも総称符号であり同様に個別符号では１８ｂ１，１８ｂ２，１８ｂ３，１８ｂ４であり、電極対１８ｃも総称符号であり個別符号では１８ｃ１，１８ｃ２，１８ｃ３，１８ｃ４で示す。

これら電極対１８ｃを構成する対向電極１８ａ，１８ｂはそれの対向間にプラズマを閉じ込めることができる陰極を構成する。

ワイヤ搬送路３０の一方側にワイヤ供給装置２２が、また、ワイヤ搬送路３０の他方側にワイヤ収納装置２４が、それぞれ配置されている。

ワイヤ供給装置２２は、ケース２２ａと、このケース２２ａの底部に立設された回転自在のワイヤ巻付け軸２２ｂとを備える。ワイヤ供給装置２２のワイヤ巻付け軸２２ｂには上下一対の搬送ベルト２６間に一定間隔で上下端が支持されたワイヤ２０が巻き付けられている。ワイヤ２０は空中架設したモノレール式の搬送軌道で搬送可能としてもよい。

ワイヤ２０は搬送ベルト２６ａを通じて直流電源２８の負極に接続されている。直流電源２８の正極は接地されている。

ワイヤ２０は上下一対の搬送ベルト２６ａ，２６ｂ間に長さ方向を鉛直にし互いに平行で一定間隔を隔てて支持され整列している。

ワイヤ収納装置２４は、ケース２４ａと、このケース２４ａ内の底部に立設された回転自在のワイヤ巻取り軸２４ｂとを備える。ワイヤ収納装置２４の上側にはワイヤ巻取り軸２４ｂを回転駆動するモータ２５が搭載されている。

真空槽４内部には、さらにワイヤ供給装置２２から供給されてくるワイヤ２０を電極対１８ｃに搬入するガイドローラ３３と、電極対１８ｃから搬出されてくるワイヤ２０をワイヤ収納装置２４にガイドするガイドローラ３４と、が配置されている。

この電極対１８ｃへの搬入は当該電極対１８ｃを構成する対向電極１８ａ，１８ｂ間のワイヤ搬送路３０上にワイヤ２０を搬入することであり、電極対１８ｃからの搬出は、対向電極１８ａ，１８ｂ間のワイヤ搬送路３０上からワイヤ２０を搬出することである。

真空槽４の底部に絶縁シート１７が敷設され、ワイヤ供給装置２２、ワイヤ収納装置２４はこの絶縁シート１７上に配置されている。

電極対１８ｃの長さはワイヤ２０の長さより短くなっている。

電極対１８ｃは直流電源１４の負極に共通接続されている。直流電源１４の正極は接地されている。

制御装置１６は、真空槽４内部のガスボンベ６、調節回路８、排気制御弁１０、真空排気系１２、電源１４、２８の制御、ならびにワイヤ２０の搬送制御、電極対１８ｃの移動制御を行う。

制御装置１６は、マイクロコンピュータにより構成され、それら制御に必要な制御データおよび制御プログラムを記憶装置に記憶し、ＣＰＵにより自動制御することができる。

制御装置１６は、作業者により制御一覧表等を参照して成膜装置を手動制御するための装置であってもよい。

以上の構成において、図４で示すようにワイヤ供給装置２２のワイヤ巻付け軸２２ｂにワイヤ２０が巻き付けられている。このワイヤ供給装置２２はワイヤ巻取り軸２４ｂにワイヤ２０を巻き付けた状態で真空槽４にセットすることができる。

上記セットの状態では、ワイヤ収納２４側のモータ２５を駆動することによりワイヤ巻取り軸２４ｂを回転駆動すると、ワイヤ２０はワイヤ供給装置２２側からガイドローラ３３を介して電極対１８ｃに供給される。さらに、ワイヤ２０はワイヤ搬送路３０を搬送され、さらに、各電極対１８ｃを構成する対向電極１８ａ，１８ｂの対向間に搬入、搬出され、最後にガイドローラ３４を介してワイヤ収納装置２４のワイヤ巻取り軸２４ｂに巻き付けられる。

以上のセットの完了後に、真空槽２の内圧を排気制御弁１０を開けて真空排気系１２により真空状態に減圧する。次いで、排気制御弁１０の開度を小さくして真空槽２内の排気速度を下げ、真空槽２に調節回路８の調節の下にガスボンべ６から炭素膜成膜用のガスを導入して所定の圧力に調節する。

その後、各電極対１８ｃに直流電源１４を印加すると、各電極対１８ｃの内部に水素ガスによる直流プラズマが図４の破線３２で示すように高密度に発生して炭化水素ガスが分解される。その結果、各電極対１８ｃ内のワイヤ搬送路３０を通過する間にワイヤ２０表面に炭素膜が成膜される。

上記ではワイヤ２０は直流電源２８の負極が接続されているのでワイヤ２０の表面での炭素膜の成膜速度が上昇している。

図５ないし図７を参照して各電極対１８ｃの移動制御ならびにワイヤ２０表面への炭素膜の成膜を説明する。

図５（ａ）（ｂ）で示すように各電極対１８ｃ（１８ｃ１，１８ｃ２，１８ｃ３，１８ｃ４）はそれぞれワイヤ２０に沿い図５（ａ）で実線で示す上側位置から仮想線で示す下側位置へ向けて互いに連動移動させ、図５（ｂ）で実線で示す下側位置へ連動移動したときにワイヤ２０表面に炭素膜を成膜する。各電極対１８ｃの移動速度は成膜対象に応じて決めることができる。この各電極対１８ｃにより一度に複数のワイヤ２０に炭素膜を成膜することができるので冷陰極電子源の量産性を向上することができる。

図６で示すように各電極対１８ｃ（１８ｃ１，１８ｃ２，１８ｃ３，１８ｃ４）をワイヤ２０に対して最上側、上側、下側、最下側の位置に固定させてもよい。こうすれば、各電極対１８ｃを移動させずに、これらの電極長さがワイヤ２０の長さよりも短くてもワイヤ２０表面に炭素膜を成膜することができる。電極対１８ｃの位置を一度設定すると、移動制御させる必要がなくなるので冷陰極電子源の製造効率を高めることができると同時に電極対１８ｃの位置設定により任意の長さのワイヤ２０に炭素膜を成膜することができるようになる。

図７（ａ）（ｂ）で示すように各電極対１８ｃ（１８ｃ１，１８ｃ２，１８ｃ３，１８ｃ４）をワイヤ２０の長さに合わせて伸縮自在とすることができる。例えば図７（ａ）のように短いワイヤ２０に対しては各電極対１８ｃを短縮し、図７（ｂ）のように長いワイヤ２０に対しては各電極対１８ｃを伸長することができる。このように電極対１８ｃをワイヤ２０の長短に合わせて伸縮可能としたことにより、ワイヤ２０の長短に合わせて電極対１８ｃを製造準備する必要がなくなり、製造コストを低減することができるようになる。

以上の実施の形態においては、各電極対１８ｃ内部に発生するプラズマ３２により次々と搬送されてくるワイヤ２０の表面に炭素膜を成膜することができるので、ワイヤ状の冷陰極電子源の量産性が向上する。これにより、ワイヤ状冷陰極電子源を用いたフィールドエミッションランプ等の真空デバイスを量産することができる。

なお、図８で示すように電極対１８ｃを構成する対向電極の形状は平板電極でよい。また、図９で示すように対向電極間にワイヤを搬送方向に２列以上にして搬送してもよい。さらに、各電極対１８ｃは個別移動可能であったが、搬送方向に連設して一体移動可能としてもよい。

図１は本発明の実施の形態に係る成膜装置の概略構成を示す図である。 図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図３はワイヤを搬送中の成膜装置の概略構成を示す図である。 図４はプラズマ発生中の上記成膜装置の概略構成図である。 図５は電極対の移動例を示す図である。 図６は電極対の配置例を示す図である。 図７は電極対の変形例を示す図である。 図８は本発明の他の実施の形態に係る成膜装置の概略構成を示す図である。 図９は本発明のさらに他の実施の形態に係る成膜装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

２ 成膜装置
４ 真空槽
１８ａ，１８ｂ 対向電極
１８ｃ 電極対
２０ ワイヤ
２２ ワイヤ供給装置
２４ ワイヤ収納装置
３２ プラズマ

Claims (4)

1. 内部にワイヤ搬送路を設定した真空槽と、
   複数の導電性ワイヤを並列させた状態で順次上記ワイヤ搬送路に搬入、搬出させる搬送手段と、
   上記ワイヤ搬送路を挟んで配置され各々上記導電性ワイヤの長手方向に延びるとともに当該導電性ワイヤ長さより短く形成された一対の対向電極からなり、上記導電性ワイヤの長手方向に対して任意の位置に配置した電極対と、
   上記電極対に直流負電圧を印加する第１直流電源と、
   上記搬送手段を介して上記導電性ワイヤに直流負電圧を印加する第２直流電源と、を備え、
   上記真空槽内部に炭素膜成膜用ガスを導入し、上記第１直流電源にて上記対向電極に直流負電圧を印加して、上記対向電極間にプラズマを閉じ込めた状態で発生させ、
   上記第２直流電源にて上記導電性ワイヤに直流負電圧を印加した状態で、上記搬送手段にて上記並列させた複数の導電性ワイヤを順次上記プラズマを発生させた対向電極間を通過させ、上記導電性ワイヤの表面に炭素膜を成膜する、ことを特徴とする成膜装置。
2. 上記電極対を上記ワイヤ搬送路を搬送する上記導電性ワイヤの長手方向に沿って移動可能としたことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 複数の電極対を上記ワイヤ搬送路に沿い列状に配置すると共に、上記各電極対を上記ワイヤ搬送路を搬送する上記導電性ワイヤの長手方向に対して異なる位置に配置した、ことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
4. 上記電極対を上記ワイヤ搬送路を搬送する上記導電性ワイヤの長手方向に伸縮可能とした、ことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。

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