JP5016976B2 - Method for producing fine particle film - Google Patents

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Description

本発明は、同軸型真空アーク蒸着源を用いた微粒子膜の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a fine particle film using a coaxial vacuum arc deposition source.

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担持体としてコバルト粒子が、また固体高分子型燃料電池やメタノール燃料電池などのナノ粒子触媒として白金ナノ粒子が、それぞれ注目されている。近年、例えば特許文献1に記載されているように、同軸型真空アーク蒸着源を用いてコバルトナノ粒子や白金ナノ粒子を捕集板上に形成する試みがなされている。   Cobalt particles have attracted attention as carbon nanotube base films (catalyst layers) and catalytic metal carriers for fuel cells, and platinum nanoparticles have attracted attention as nanoparticle catalysts for solid polymer fuel cells and methanol fuel cells. In recent years, for example, as described in Patent Document 1, attempts have been made to form cobalt nanoparticles and platinum nanoparticles on a collecting plate using a coaxial vacuum arc deposition source.

同軸型真空アーク蒸着源は、筒状のアノード電極と、このアノード電極内に配置された蒸着材料を有するカソード電極と、カソード電極から離間してアノード電極内に配置されたトリガ電極と、アノード電極とカソード電極の間に設置された直流電圧源と、この直流電圧源に並列的に接続されたコンデンサとを有している。アノード電極の開口部と、捕集板としての基板は、真空槽の内部に設置される。トリガ電極とカソード電極の間にトリガ放電を発生させると、カソード電極の蒸着材料とアノード電極の間にアーク放電が誘起される。このとき、蒸着材料の微粒子が真空槽内に放出され、当該微粒子が基板表面に到達することにより、基板上に微粒子からなる膜あるいは層(以下単に「微粒子膜」ともいう。)が形成される。   A coaxial vacuum arc deposition source includes a cylindrical anode electrode, a cathode electrode having a deposition material disposed in the anode electrode, a trigger electrode disposed in the anode electrode apart from the cathode electrode, and an anode electrode And a cathode voltage electrode, and a capacitor connected in parallel to the DC voltage source. The opening of the anode electrode and the substrate as the collection plate are installed inside the vacuum chamber. When a trigger discharge is generated between the trigger electrode and the cathode electrode, an arc discharge is induced between the deposition material of the cathode electrode and the anode electrode. At this time, fine particles of the vapor deposition material are released into the vacuum chamber, and when the fine particles reach the substrate surface, a film or layer (hereinafter also simply referred to as “fine particle film”) made of the fine particles is formed on the substrate. .

同軸型真空アーク蒸着源においては、トリガ放電を周期的に発生させることで、アノード電極とカソード電極との間にアーク放電をパルス的に発生させている。アーク放電一回あたりの放電時間やアーク電流は、アノード電極とカソード電極間の距離(空間インピーダンス)、放電電圧、コンデンサ容量、配線長等によって適宜設定される。例えば、電極間距離、放電電圧、配線長を一定とした場合、直流電圧源に接続されているコンデンサの容量が大きいほど、長い放電時間と大きなアーク電流が得られる。なお、従来の同軸型アーク蒸着源の放電電圧は、100V以上である。   In the coaxial vacuum arc deposition source, the arc discharge is generated in a pulse manner between the anode electrode and the cathode electrode by periodically generating the trigger discharge. The discharge time and arc current per arc discharge are appropriately set according to the distance between the anode electrode and the cathode electrode (spatial impedance), discharge voltage, capacitor capacity, wiring length, and the like. For example, when the distance between the electrodes, the discharge voltage, and the wiring length are constant, the longer the discharge time and the larger the arc current are obtained as the capacitance of the capacitor connected to the DC voltage source is larger. In addition, the discharge voltage of the conventional coaxial arc vapor deposition source is 100 V or more.

特開2004−307241号公報JP 2004-307241 A

しかしながら、従来の微粒子膜の製造方法においては、同軸型真空アーク蒸着源から蒸着材料の微粒子が放出される際、意図しない大型の巨大粒子(例えば粒径が10nm以上)も同時に放出される場合があり、基板上に所定の粒子サイズ(例えば粒径が1〜5nm)の微粒子膜のみを選択的に形成することができないという問題がある。   However, in the conventional method for producing a fine particle film, when fine particles of the vapor deposition material are released from the coaxial vacuum arc vapor deposition source, unintended large particles (for example, a particle size of 10 nm or more) may be simultaneously emitted. In addition, there is a problem that only a fine particle film having a predetermined particle size (for example, a particle size of 1 to 5 nm) cannot be selectively formed on a substrate.

上記のような巨大粒子の発生原因は、必ずしも明確ではないが、真空内における基板上での粒成長によるものではないと考えられる。その理由は、基板上での粒成長が原因であれば、基板が低温の場合には巨大粒子は成長しないにもかかわらず、存在が確認されるからである。微粒子膜中にこのような大きな粒子が存在することは、触媒性能にバラツキが生じたり、カーボンナノチューブの形成時には径や層数のバラツキが生じたりすることになる。   The cause of the generation of the giant particles as described above is not necessarily clear, but it is considered not to be due to grain growth on the substrate in a vacuum. The reason is that if the grain growth on the substrate is the cause, when the substrate is at a low temperature, the presence of the giant particle is confirmed even though it does not grow. The presence of such large particles in the fine particle film may cause variations in catalyst performance or variations in diameter and number of layers when forming carbon nanotubes.

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、粒径の揃った微粒子膜を形成することができる微粒子膜の製造方法を提供することを課題とする。   This invention is made in view of the above-mentioned problem, and makes it a subject to provide the manufacturing method of the fine particle film which can form the fine particle film with uniform particle size.

以上の課題を解決するに当たり、本発明の微粒子膜の製造方法は、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蒸着材料を有するカソード電極と、前記カソード電極から離間して前記アノード電極内に配置されたトリガ電極と、前記アノード電極と前記カソード電極の間に設置された直流電圧源と、前記直流電圧源に並列的に接続されたコンデンサとを備えた同軸型真空アーク蒸着源が用いられ、前記トリガ電極と前記カソード電極の間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極の前記蒸着材料と前記アノード電極の間にアーク放電を誘起させ、前記蒸着材料の微粒子を真空槽内に設置された基板の表面へ蒸着させる微粒子膜の製造方法であって、前記アノード電極と前記カソード電極の間の放電電圧を50V以上100V未満とすることを特徴とする。   In solving the above problems, the method for producing a fine particle film of the present invention includes a cylindrical anode electrode, a cathode electrode having a vapor deposition material disposed in the anode electrode, and the anode spaced apart from the cathode electrode. A coaxial vacuum arc evaporation source comprising a trigger electrode disposed in an electrode, a DC voltage source disposed between the anode electrode and the cathode electrode, and a capacitor connected in parallel to the DC voltage source Is used, a trigger discharge is generated between the trigger electrode and the cathode electrode, an arc discharge is induced between the vapor deposition material of the cathode electrode and the anode electrode, and fine particles of the vapor deposition material are placed in a vacuum chamber. A method of manufacturing a fine particle film to be deposited on a surface of an installed substrate, wherein a discharge voltage between the anode electrode and the cathode electrode is 50 V or more and 100 V or less. Characterized by a.

アノード電極を接地し、トリガ電極に正電位を、カソード電極に負電位をそれぞれ印加すると、トリガ電極とカソード電極(蒸着材料)との間にトリガ放電が発生する。トリガ放電によって電子、イオンが発生すると、アノード電極と蒸着材料との間の絶縁耐圧が低下し、アノード電極と蒸着材料との間にアーク放電が誘起される。アーク放電が誘起されると、コンデンサが放電されてアーク電流が流れ、蒸着材料の表面から蒸発粒子が発生する。   When the anode electrode is grounded, a positive potential is applied to the trigger electrode, and a negative potential is applied to the cathode electrode, a trigger discharge is generated between the trigger electrode and the cathode electrode (evaporation material). When electrons and ions are generated by the trigger discharge, the withstand voltage between the anode electrode and the vapor deposition material decreases, and arc discharge is induced between the anode electrode and the vapor deposition material. When the arc discharge is induced, the capacitor is discharged, an arc current flows, and evaporated particles are generated from the surface of the vapor deposition material.

蒸着材料から放出される粒子には、中性粒子と荷電粒子とがある。これらのうち、電荷質量比(電荷/質量)の比較的大きい微細な荷電粒子は、アーク電流の生成によってアノード電極内に発生される電磁力を受け、アノード電極の開口に向かって飛行方向を曲げられて真空槽内に放出される。一方、中性粒子と、電荷質量比(電荷/質量)の比較的小さい巨大な荷電粒子に関しては、アノード電極内における電磁力によってその飛行方向が曲げられることなく直進することで、真空槽内への放出が抑えられる。   The particles emitted from the vapor deposition material include neutral particles and charged particles. Among these, fine charged particles having a relatively large charge mass ratio (charge / mass) are subjected to electromagnetic force generated in the anode electrode by the generation of arc current, and bend the flight direction toward the opening of the anode electrode. And released into the vacuum chamber. On the other hand, neutral particles and huge charged particles having a relatively small charge-mass ratio (charge / mass) move straight into the vacuum chamber without being bent by the electromagnetic force in the anode electrode. Release is suppressed.

従来の同軸型真空アーク蒸着源を用いた微粒子膜の形成方法においては、アノード電極とカソード電極の間の放電電圧は100V以上、例えば、200Vあるいは400Vに設定されていた。放電時のアーク電流に起因して発生する電磁力は放電電圧の大きさに比例し、放電電圧が高いほど発生する電磁力も大きくなる。したがって、放電電圧が高い条件下では、アノード電極の開口から放出される荷電粒子中に電荷質量比の比較的小さい巨大粒子が混在する可能性が高くなる。   In the conventional method of forming a fine particle film using a coaxial vacuum arc deposition source, the discharge voltage between the anode electrode and the cathode electrode is set to 100 V or higher, for example, 200 V or 400 V. The electromagnetic force generated due to the arc current during discharge is proportional to the magnitude of the discharge voltage, and the higher the discharge voltage, the greater the generated electromagnetic force. Therefore, under a condition where the discharge voltage is high, there is a high possibility that huge particles having a relatively small charge mass ratio are mixed in charged particles emitted from the opening of the anode electrode.

そこで本発明では、アノード電極とカソード電極の間の放電電圧を50V以上100V未満としている。このように放電電圧を制限することにより、放電時に発生する電磁力の大きさを制限することで、アノード電極の開口から放出される荷電粒子中に一定以上の粒径の巨大粒子の混在が回避され、一定以下の微細な荷電粒子のみが放出される。このため、アノード電極の開口と対向する位置に基板を配置しておけば、荷電粒子が基板に到達し、基板表面に緻密で膜質の良い薄膜が形成される。   Therefore, in the present invention, the discharge voltage between the anode electrode and the cathode electrode is set to 50 V or more and less than 100 V. By limiting the discharge voltage in this way, the size of the electromagnetic force generated at the time of discharge is limited, thereby avoiding the mixing of large particles with a certain size or more in the charged particles emitted from the opening of the anode electrode. Only fine charged particles below a certain level are emitted. For this reason, if the substrate is disposed at a position opposite to the opening of the anode electrode, the charged particles reach the substrate, and a thin film having a good film quality is formed on the substrate surface.

放電電圧の大きさが100V以上の場合、上述したように、形成される微粒子膜中に粒径が10nm以上の巨大粒子が混在しにくくなり、微細粒子による緻密な膜あるいは均一な層が得られにくくなる。また、放電電圧が50V未満の場合、アノード電極とカソード電極間において安定した放電が得られなくなるおそれがある。   When the magnitude of the discharge voltage is 100 V or more, as described above, it is difficult for large particles having a particle diameter of 10 nm or more to be mixed in the formed fine particle film, and a dense film or a uniform layer of fine particles is obtained. It becomes difficult. Further, when the discharge voltage is less than 50 V, there is a possibility that stable discharge cannot be obtained between the anode electrode and the cathode electrode.

本発明の微粒子膜の製造方法によれば、蒸着源から粒径の揃った微粒子を生成することができるので、膜質の優れた微粒子膜を製造することが可能となる。   According to the method for producing a fine particle film of the present invention, fine particles having a uniform particle diameter can be generated from a vapor deposition source, so that a fine particle film having excellent film quality can be produced.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本発明の実施形態において用いられる微粒子膜製造装置1の概略構成図である。この微粒子膜製造装置1は、円筒状の真空槽10と、この真空槽10内に設置された同軸型真空アーク蒸着源13とを有している。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fine particle film manufacturing apparatus 1 used in an embodiment of the present invention. The fine particle film manufacturing apparatus 1 includes a cylindrical vacuum chamber 10 and a coaxial vacuum arc vapor deposition source 13 installed in the vacuum chamber 10.

真空槽10内には、基板ステージ17が水平に配置されている。基板ステージ17は、真空槽10の天板に気密に挿通された回転導入機構18に接続されており、モータ19の駆動により、回転可能に構成されている。基板ステージ17上の同一半径位置には複数枚の基板(捕集板)Wが設置されている。符号20は、基板加熱用のヒーターである。   A substrate stage 17 is disposed horizontally in the vacuum chamber 10. The substrate stage 17 is connected to a rotation introducing mechanism 18 that is airtightly inserted into the top plate of the vacuum chamber 10, and is configured to be rotatable by driving a motor 19. A plurality of substrates (collecting plates) W are installed at the same radial position on the substrate stage 17. Reference numeral 20 denotes a heater for heating the substrate.

真空槽10には真空排気系30が接続されており、内部が10-5Pa以下の真空雰囲気に排気、維持可能とされている。真空排気系30は、可変バルブ31、ターボ分子ポンプ32、バルブ33、ロータリーポンプ34で構成されている。なお、真空槽10は、接地電位に接続されている。 An evacuation system 30 is connected to the vacuum chamber 10 so that the inside can be evacuated and maintained in a vacuum atmosphere of 10 −5 Pa or less. The vacuum exhaust system 30 includes a variable valve 31, a turbo molecular pump 32, a valve 33, and a rotary pump 34. The vacuum chamber 10 is connected to the ground potential.

真空槽10の底部には、基板ステージ17と対向するように複数台の同軸型真空アーク蒸着源13が設置されている。各同軸型真空アーク蒸着源13は、筒状のアノード電極21と、アノード電極21内に配置された蒸着材料を有するカソード電極22と、カソード電極22から離間してアノード電極21内に配置されたトリガ電極23とを備えている。   A plurality of coaxial type vacuum arc vapor deposition sources 13 are installed at the bottom of the vacuum chamber 10 so as to face the substrate stage 17. Each coaxial type vacuum arc vapor deposition source 13 is disposed in the anode electrode 21 having a cylindrical anode electrode 21, a cathode electrode 22 having a vapor deposition material disposed in the anode electrode 21, and spaced apart from the cathode electrode 22. And a trigger electrode 23.

アノード電極21は、一端が開口する有底のステンレス製円筒からなり、真空槽10の底部に対して、開口部21aを真空槽10内に向けて気密に貫通している。カソード電極22は、アノード電極21の内部の軸心位置に設置されている。カソード電極22は、蒸着材料と一体的もしくは蒸着材料そのものによって構成されている。カソード電極22は柱状であり、その一端に蒸着材料(蒸発材料)22Aが設けられている。蒸着材料22Aは、基板Wに形成する微粒子膜の構成材料で構成され、本実施形態では金属コバルトが用いられている。   The anode electrode 21 is made of a bottomed stainless steel cylinder having one end opened, and penetrates the bottom of the vacuum chamber 10 in an airtight manner toward the inside of the vacuum chamber 10 through the opening 21a. The cathode electrode 22 is installed at an axial center position inside the anode electrode 21. The cathode electrode 22 is formed integrally with the vapor deposition material or by the vapor deposition material itself. The cathode electrode 22 has a columnar shape, and an evaporation material (evaporation material) 22A is provided at one end thereof. The vapor deposition material 22A is composed of a constituent material of a fine particle film formed on the substrate W, and metallic cobalt is used in this embodiment.

トリガ電極23は、カソード電極22(蒸着材料22A)の外周側に、碍子24を介して取り付けられている。トリガ電極23は円筒形状であり、例えば、ステンレス鋼で構成されている。碍子24は、大径部および小径部を有するハット型であり、アルミナ等の硬質絶縁材料で構成されている。碍子24は、その小径部をアノード電極21の開口部21a側に向けてカソード電極22(蒸着材料22A)に取り付けられている。トリガ電極23は、碍子24の小径部に装着されている。   The trigger electrode 23 is attached to the outer peripheral side of the cathode electrode 22 (deposition material 22A) via an insulator 24. The trigger electrode 23 has a cylindrical shape, and is made of, for example, stainless steel. The insulator 24 is a hat type having a large diameter portion and a small diameter portion, and is made of a hard insulating material such as alumina. The insulator 24 is attached to the cathode electrode 22 (deposition material 22A) with its small diameter portion facing the opening 21a side of the anode electrode 21. The trigger electrode 23 is attached to the small diameter portion of the insulator 24.

真空槽10の外部には、アーク電源25が設置されている。アーク電源25は、直流電圧源26と、コンデンサユニット27とを有している。直流電圧源26の正極および負極は、アノード電極21およびカソード電極22にそれぞれ接続されている。直流電圧源26の電圧は、50V以上100V未満に設定されており、特に本実施形態では、60Vに設定されている。   An arc power source 25 is installed outside the vacuum chamber 10. The arc power supply 25 has a DC voltage source 26 and a capacitor unit 27. The positive electrode and the negative electrode of the DC voltage source 26 are connected to the anode electrode 21 and the cathode electrode 22, respectively. The voltage of the DC voltage source 26 is set to 50 V or more and less than 100 V, and in this embodiment, is set to 60 V.

コンデンサユニット27は、直流電圧源26に対して並列に、アノード電極21とカソード電極22の間に接続されている。コンデンサユニット27は複数のコンデンサを並列接続してなるもので、その総容量は、例えば1000μF以上9000μF以下に設定され、特に本実施形態では8800μFに設定されている。コンデンサユニット27は、一定の充電時間で直流電圧源26によって充電されるように構成されている。例えば、充電時間が1秒の場合、1Hzの周期でコンデンサユニット27の充放電が繰り返されることになる。   The capacitor unit 27 is connected between the anode electrode 21 and the cathode electrode 22 in parallel with the DC voltage source 26. The capacitor unit 27 is formed by connecting a plurality of capacitors in parallel, and the total capacity thereof is set to, for example, 1000 μF or more and 9000 μF or less, and in this embodiment, is set to 8800 μF. The capacitor unit 27 is configured to be charged by the DC voltage source 26 at a constant charging time. For example, when the charging time is 1 second, charging / discharging of the capacitor unit 27 is repeated at a cycle of 1 Hz.

また、真空槽10の外部には、トリガ電源28が設置されている。トリガ電源28はパルストランスからなり、入力200V、マイクロ秒のパルス電圧を約17倍に昇圧して3.4kV(数μA)に出力するように構成されている。そして、昇圧された電圧を、カソード電極22に対して正の極性でトリガ電源21に印加するように接続されている。   A trigger power supply 28 is installed outside the vacuum chamber 10. The trigger power supply 28 is composed of a pulse transformer, and is configured to boost an input voltage of 200 V and a microsecond pulse voltage by about 17 times and output it to 3.4 kV (several μA). The boosted voltage is connected to the trigger power supply 21 with a positive polarity with respect to the cathode electrode 22.

同軸型真空アーク蒸着源13の構成は図1に示した例に限られず、図2に概略的に示すように、カソード電極22、碍子24B、トリガ電極23、碍子24A及び蒸着材料22Aをアノード電極21の軸方向に沿って取り付けて構成したものを採用してもよい。なお、図2において図1に対応する部分については同一の符号を付している。図2において、符号35は真空ポンプで、36は不活性ガスなどのガス導入系である。   The configuration of the coaxial vacuum arc evaporation source 13 is not limited to the example shown in FIG. 1, and as shown schematically in FIG. You may employ | adopt what was attached and comprised along the 21 axial direction. In FIG. 2, parts corresponding to those in FIG. In FIG. 2, reference numeral 35 denotes a vacuum pump, and 36 denotes a gas introduction system such as an inert gas.

次に、以上のように構成される微粒子膜製造装置1の動作について説明する。   Next, the operation of the fine particle film manufacturing apparatus 1 configured as described above will be described.

図1(又は図2)を参照して、カソード電極22とトリガ電極23との間にトリガ電源28の電源電圧を印加し、碍子24の表面を介して沿面放電(トリガ放電)を発生させる。トリガ放電が発生すると、アノード電極21と蒸着材料22Aの間の絶縁耐圧が低下して、アノード電極21と蒸着材料22Aとの間にアーク放電が誘起される。アーク放電が誘起されると、コンデンサユニット27が放電されて、カソード電極22(蒸着材料22A)とアノード電極21との間にアーク電流が流れる。このアーク電流によって蒸着材料の表面は加熱され、溶融し、蒸発して、金属コバルトのプラズマが形成される。   Referring to FIG. 1 (or FIG. 2), a power supply voltage of a trigger power supply 28 is applied between the cathode electrode 22 and the trigger electrode 23 to generate creeping discharge (trigger discharge) through the surface of the insulator 24. When the trigger discharge occurs, the withstand voltage between the anode electrode 21 and the vapor deposition material 22A decreases, and an arc discharge is induced between the anode electrode 21 and the vapor deposition material 22A. When the arc discharge is induced, the capacitor unit 27 is discharged, and an arc current flows between the cathode electrode 22 (deposition material 22A) and the anode electrode 21. By this arc current, the surface of the vapor deposition material is heated, melted, and evaporated to form a metal cobalt plasma.

アーク放電の形成により、円筒状のアノード電極21の内部には軸方向に沿って電磁力が発生する。この電磁力は、真空槽10の内部すなわち基板ステージ17上の基板Wに向けて、蒸着材料22Aから放出された正イオンの飛行方向を偏向させるローレンツ力あるいはクーロン力からなる。したがって、蒸着材料22Aから放出された荷電粒子は、その電荷質量比(電荷/質量)の大きさに応じて、基板Wに向けて飛行するものと、それ以外のものに選別される。   Due to the formation of the arc discharge, an electromagnetic force is generated in the cylindrical anode electrode 21 along the axial direction. This electromagnetic force is a Lorentz force or a Coulomb force that deflects the flight direction of positive ions emitted from the vapor deposition material 22A toward the inside of the vacuum chamber 10, that is, the substrate W on the substrate stage 17. Therefore, the charged particles emitted from the vapor deposition material 22A are classified into those that fly toward the substrate W and those that do not, depending on the magnitude of the charge mass ratio (charge / mass).

具体的に、電荷質量比の比較的大きい微細な荷電粒子は、アノード電極21内に発生される電磁力を受けて、アノード電極21の開口部21aに向かって飛行方向を曲げられて真空槽10内に放出される。一方、電荷質量比の比較的小さい大型粒子や中性粒子に関しては、アノード電極21内における電磁力によってその飛行方向が曲げられることなく直進し、例えば接地されているアノード電極に付着する。これにより、当該大型粒子や中性粒子の真空槽10内への放出が抑制される。   Specifically, fine charged particles having a relatively large charge-mass ratio are subjected to electromagnetic force generated in the anode electrode 21 and bent in the flight direction toward the opening 21 a of the anode electrode 21, so that the vacuum chamber 10. Is released inside. On the other hand, large particles and neutral particles having a relatively small charge-mass ratio go straight without being bent by the electromagnetic force in the anode electrode 21 and adhere to, for example, a grounded anode electrode. Thereby, discharge | release in the vacuum chamber 10 of the said large sized particle and neutral particle is suppressed.

以上のようにして、同軸型真空アーク蒸着源13からは、主として粒子径が所定以下の荷電粒子(コバルト(Co)イオン)が放出される。したがって、これらの微細な荷電粒子は、蒸着源13に対向して配置される基板Wの表面に到達し、付着する。成膜中、基板Wは基板ステージ17とともにモータ19の駆動により回転され、複数の蒸着源13から放出される微細粒子で各基板Wの表面に当該微細粒子からなる膜あるいは層を形成する。   As described above, charged particles (cobalt (Co) ions) having a particle diameter of a predetermined value or less are mainly emitted from the coaxial vacuum arc deposition source 13. Therefore, these fine charged particles reach and adhere to the surface of the substrate W arranged facing the vapor deposition source 13. During film formation, the substrate W is rotated by driving the motor 19 together with the substrate stage 17, and a film or layer made of the fine particles is formed on the surface of each substrate W with fine particles emitted from the plurality of vapor deposition sources 13.

ここで、同軸型真空アーク蒸着源13による微細粒子の形成は、トリガ放電の周期に対応して間欠的に行われる。したがって、アノード電極21と蒸着材料22Aの間におけるアーク放電の発生もパルス的となる。アーク放電一回あたりの放電時間やアーク電流は、アノード電極21とカソード電極(ここでは蒸着材料22A)の間の距離(すなわち空間インピーダンス)、アーク電源25の放電電圧、コンデンサユニット27の容量、配線長等によって定まる。一方、アーク放電時に発生するアノード電極21内の電磁力は、アノード電極21内に発生する磁場の大きさに関係する。磁場の大きさは、アーク電流の大きさで定まる。アーク電流は、コンデンサ容量、放電電圧にほぼ比例する。   Here, the formation of fine particles by the coaxial vacuum arc deposition source 13 is performed intermittently corresponding to the period of the trigger discharge. Therefore, the occurrence of arc discharge between the anode electrode 21 and the vapor deposition material 22A is also pulsed. The discharge time and arc current per arc discharge are the distance (that is, spatial impedance) between the anode electrode 21 and the cathode electrode (here, the vapor deposition material 22A), the discharge voltage of the arc power supply 25, the capacity of the capacitor unit 27, and the wiring. It depends on the length. On the other hand, the electromagnetic force in the anode electrode 21 generated during arc discharge is related to the magnitude of the magnetic field generated in the anode electrode 21. The magnitude of the magnetic field is determined by the magnitude of the arc current. The arc current is almost proportional to the capacitor capacity and the discharge voltage.

同軸型真空アーク蒸着源を用いた従来の微粒子膜製造方法においては、アノード電極とカソード電極の間の放電電圧が100V以上、例えば、200Vから400Vに設定されていた。放電時のアーク電流に起因して発生する電磁力は放電電圧の大きさに比例し、放電電圧が高いほど発生する電磁力も大きくなる。したがって、放電電圧が高い条件下では、アノード電極の開口から放出される荷電粒子中に電荷質量比の比較的小さい巨大粒子が混在する可能性が高くなる。   In the conventional fine particle film manufacturing method using a coaxial vacuum arc evaporation source, the discharge voltage between the anode electrode and the cathode electrode is set to 100 V or more, for example, 200 V to 400 V. The electromagnetic force generated due to the arc current during discharge is proportional to the magnitude of the discharge voltage, and the higher the discharge voltage, the greater the generated electromagnetic force. Therefore, under a condition where the discharge voltage is high, there is a high possibility that huge particles having a relatively small charge mass ratio are mixed in charged particles emitted from the opening of the anode electrode.

図3A〜Cは、同軸型真空アーク蒸着源を用いて形成したコバルト微粒子膜のTEM写真である。放電回数はそれぞれ20回であり、放電電圧は200V(図3A)、300V(図3B)および400V(図3C)である。図3から明らかなように、微細粒子からなる膜あるいは層の中に粒径が10nm程度の巨大粒子が混入している様子がわかる。また、放電電圧が高いほど、巨大粒子の混入割合、粒子径が肥大化することもわかる。   3A to 3C are TEM photographs of a cobalt fine particle film formed using a coaxial vacuum arc deposition source. The number of discharges is 20 times, and the discharge voltages are 200 V (FIG. 3A), 300 V (FIG. 3B), and 400 V (FIG. 3C). As is apparent from FIG. 3, it can be seen that giant particles having a particle size of about 10 nm are mixed in a film or layer made of fine particles. It can also be seen that the higher the discharge voltage, the larger the entrainment ratio and particle size of the giant particles.

これに対して、本実施形態では、アノード電極21とカソード電極22(蒸着材料22A)間の放電電圧(直流電圧源26の電源電圧)を60Vに設定している。このように放電電圧を制限することにより、放電時に発生する電磁力の大きさを制限することで、アノード電極21の開口部21Aから放出される荷電粒子中に一定以上の粒径の巨大粒子の混入を回避し、粒径が一定以下の微細な荷電粒子のみを放出させるようにしている。   On the other hand, in this embodiment, the discharge voltage (power supply voltage of the DC voltage source 26) between the anode electrode 21 and the cathode electrode 22 (deposition material 22A) is set to 60V. By limiting the discharge voltage in this way, the magnitude of the electromagnetic force generated at the time of discharge is limited, so that the charged particles emitted from the opening 21A of the anode electrode 21 have large particles having a certain particle size or more. Mixing is avoided, and only fine charged particles having a particle size of a certain value or less are released.

したがって、本実施形態によれば、一定以下の粒径の荷電粒子のみを形成することができるので、基板表面に当該一定以下の粒径の微粒子からなる膜あるいは層を基板Wの表面に安定に形成でき、緻密で良質な微粒子膜を得ることが可能となる。図4は、放電電圧を60Vにして得られたコバルト微粒子膜のTEM写真である。粒子径が3〜5nm程度に一定範囲に揃えられた微粒子膜を得ることができる。   Therefore, according to the present embodiment, only charged particles having a particle size of a certain size or less can be formed, and thus a film or layer made of fine particles having a particle size of a certain size or less is stably formed on the surface of the substrate W. It is possible to form a fine and fine particle film that can be formed. FIG. 4 is a TEM photograph of a cobalt fine particle film obtained at a discharge voltage of 60V. A fine particle film having a particle diameter of about 3 to 5 nm in a certain range can be obtained.

以上のように、本実施形態によれば、粒子径が3〜5nm程度に一定範囲に揃えられた微粒子膜を得ることができるので、当該微粒子膜をカーボンナノチューブの下地膜に用いた場合には、カーボンナノチューブの形成径や層数のバラツキを回避することができる。また、当該微粒子膜を燃料電池の触媒金属担持体として用いた場合には、触媒性能の安定化を図ることができる。   As described above, according to the present embodiment, since a fine particle film having a particle diameter of about 3 to 5 nm can be obtained in a certain range, when the fine particle film is used as a carbon nanotube base film, In addition, variations in the formation diameter and the number of layers of carbon nanotubes can be avoided. Further, when the fine particle film is used as a catalyst metal carrier of a fuel cell, the catalyst performance can be stabilized.

アノード電極とカソード電極の間の放電電圧は、形成する微粒子の粒子径、蒸着材料の種類等に応じて適宜設定可能である。例えば、粒径が1nm程度の微粒子を得るためには放電電圧を更に低くすればよい。好適な放電電圧は、50V以上100V未満である。放電電圧が100V以上の場合では、上述したように、形成される微粒子膜中に意図しない巨大粒子の混在を抑制できなくなる。また、放電電圧が50V未満の場合では、安定した放電が得られなくなるおそれがある。   The discharge voltage between the anode electrode and the cathode electrode can be appropriately set according to the particle diameter of the fine particles to be formed, the type of vapor deposition material, and the like. For example, in order to obtain fine particles having a particle size of about 1 nm, the discharge voltage may be further reduced. A suitable discharge voltage is 50 V or more and less than 100 V. In the case where the discharge voltage is 100 V or more, as described above, it is impossible to suppress the unintended mixture of huge particles in the formed fine particle film. Further, when the discharge voltage is less than 50V, there is a possibility that stable discharge cannot be obtained.

また、放電時間およびアーク電流の調整は、コンデンサユニット27の容量調整で行うのが好適である。具体的に、コンデンサ容量が高いほど、長い放電時間と大きなアーク電流が得られる。コンデンサ容量の好適な範囲としては、1000μF以上9000μF以下である。コンデンサ容量が1000μF未満では効果的なアーク放電が得られなく所望の微粒子が形成するのが困難となる。また、コンデンサ容量が9000μFを超えると、微粒子径の制御が困難となり、所望の微粒子膜を安定して得ることができなくなる。   The discharge time and arc current are preferably adjusted by adjusting the capacity of the capacitor unit 27. Specifically, the higher the capacitor capacity, the longer the discharge time and the greater the arc current. A preferable range of the capacitor capacity is 1000 μF or more and 9000 μF or less. If the capacitance is less than 1000 μF, effective arc discharge cannot be obtained and it becomes difficult to form desired fine particles. On the other hand, if the capacitor capacity exceeds 9000 μF, it is difficult to control the particle diameter, and a desired particle film cannot be obtained stably.

以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, of course, this invention is not limited to this, A various deformation | transformation is possible based on the technical idea of this invention.

例えば以上の実施形態では、同軸型アーク蒸着源を用いて金属コバルトの微粒子膜を製造する方法について説明したが、蒸着材料は金属コバルトに限られず、例えば白金やパラジウム等も適用可能である。   For example, in the above embodiment, the method for producing a metal cobalt fine particle film using a coaxial arc vapor deposition source has been described. However, the vapor deposition material is not limited to metal cobalt, and platinum, palladium, and the like can also be applied.

また、以上の実施形態では、コンデンサ容量の大きさでアーク放電時間やアーク電流の大きさを調整するようにしたが、これに限らず、アーク電源とアノード電極又はカソード電極間の配線長によってアーク放電時間やアーク電流の大きさを調整することも可能である。   In the above embodiment, the arc discharge time and the arc current are adjusted according to the capacitor capacity. However, the present invention is not limited to this, and the arc length depends on the wiring length between the arc power source and the anode electrode or the cathode electrode. It is also possible to adjust the discharge time and the magnitude of the arc current.

本発明の実施形態において説明する微粒子膜製造装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fine particle film manufacturing apparatus demonstrated in embodiment of this invention. 図1に示した微粒子膜製造装置の構成の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of a structure of the fine particle film manufacturing apparatus shown in FIG. 放電電圧を200V、300V、400Vにして作製したコバルト微粒子膜のTEM写真である。It is a TEM photograph of the cobalt fine particle film produced by setting discharge voltage to 200V, 300V, and 400V. 放電電圧を60Vにして作製したコバルト微粒子膜のTEM写真である。It is a TEM photograph of a cobalt fine particle film produced at a discharge voltage of 60V.

符号の説明Explanation of symbols

1 微粒子膜製造装置
10 真空槽
13 同軸型真空アーク蒸着源
17 基板ステージ
21 アノード電極
22 カソード電極
22A 蒸着材料
23 トリガ電極
24 碍子
25 アーク電源
26 直流電圧源
27 コンデンサユニット
28 トリガ電源
30 真空排気系
W 基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fine particle film manufacturing apparatus 10 Vacuum tank 13 Coaxial type vacuum arc evaporation source 17 Substrate stage 21 Anode electrode 22 Cathode electrode 22A Vapor deposition material 23 Trigger electrode 24 Insulator 25 Arc power supply 26 DC voltage source 27 Capacitor unit 28 Trigger power supply 30 Vacuum exhaust system W substrate

Claims (1)

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蒸着材料を有するカソード電極と、前記カソード電極から離間して前記アノード電極内に配置されたトリガ電極と、前記アノード電極と前記カソード電極の間に設置された直流電圧源と、前記直流電圧源に並列的に接続されたコンデンサとを備えた同軸型真空アーク蒸着源が用いられ、
前記トリガ電極と前記カソード電極の間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極の前記蒸発材料と前記アノード電極の間にアーク放電を誘起させ、前記蒸発材料の微粒子を真空槽内に設置された基板の表面へ蒸着させる微粒子膜の製造方法であって、
前記蒸発材料を金属コバルトとし、
前記コンデンサの容量を1000μF以上9000μF以下とし、
前記アノード電極と前記カソード電極の間の放電電圧を50V以上60V未満とすることを特徴とする微粒子膜の製造方法。
A cylindrical anode electrode; a cathode electrode having a deposition material disposed in the anode electrode; a trigger electrode disposed in the anode electrode spaced apart from the cathode electrode; and the anode electrode and the cathode electrode A coaxial vacuum arc deposition source comprising a direct current voltage source installed in between and a capacitor connected in parallel to the direct current voltage source is used,
A substrate in which a trigger discharge is generated between the trigger electrode and the cathode electrode, an arc discharge is induced between the evaporation material of the cathode electrode and the anode electrode, and fine particles of the evaporation material are placed in a vacuum chamber A method for producing a fine particle film to be deposited on the surface of
The evaporation material is metallic cobalt,
The capacitance of the capacitor is 1000 μF or more and 9000 μF or less,
A method for producing a fine particle film, wherein a discharge voltage between the anode electrode and the cathode electrode is 50 V or more and less than 60 V.
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