JP5068264B2 - 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は、量産性をあげて製造コストを低減することが要望されている。
特開２００５−３０７３５２号公報

本発明は、基板等の表面に炭素膜を効率的に成膜可能とし、炭素膜付き基板の量産性を上げて、この炭素膜付き基板を用いた真空デバイスの量産性向上ならびにその量産コストの低減化を可能とした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、真空槽内に電極が配置され、真空槽内部に成膜ガスを導入すると共に電極に電圧を印加してこの成膜ガスをプラズマ化し、基板に成膜する成膜装置において、基板の供給口と排出口とを有する、上記電極としての筒状電極と、複数の基板を、上記筒状電極の供給口を通じて該筒状電極の内部に供給すると共に該筒状電極の排出口から排出する基板供給排出装置と、を備えたものである。

上記筒状電極は、単一の筒状電極に限定されず、２つ一対の半筒状電極から構成したものも含む。

上記筒状電極の形状は筒軸方向の長短は問わない。

上記筒状電極の断面形状は、円形が好ましいが、楕円形、矩形等を含むことができる。

上記開口は単一の筒状電極の両端側の開口、単一の筒状電極の側面に設けた開口、２つ一対の半筒状電極の対向隙間、等を含む。

成膜ガスは基板表面に炭素膜を成膜することができる種類であれば特に限定しない。

本発明では、基板供給排出装置により、複数の基板を筒状電極の開口を通じて該筒状電極内部に対して順次に供給すると共に該筒状電極の開口から順次に排出することができるようになっているので、複数の基板に筒状電極の内部で順次に成膜処理を施して炭素膜付き基板を製造することができるので、炭素膜付き基板の量産性が大きく向上すると共に該炭素膜付き基板を用いた真空デバイスの量産性および量産コストを低減することができるようになる。

上記において、上記筒状電極の供給口と排出口とが、上記筒状電極の長手方向の端部開口であることが好ましい。

上記において、上記筒状電極の供給口と排出口とが当該筒状電極の両側面それぞれに形成された開口であることが好ましい。

上記において、上記筒状電極が複数連設されると共にこれら複数の筒状電極それぞれの供給口と排出口とが基板搬送方向に一列になって連通していることが好ましい。

上記において、上記筒状電極は、互いの周方向両端部が所定の隙間を隔てて対向する２つ一対の半筒状電極からなり、この２つ一対の半筒状電極における、周方向一端側の対向隙間が上記供給口であり、周方向他端側の対向隙間が上記排出口であることが好ましい。

上記において、上記２つ一対の半筒状電極が複数対連設されると共にこれら複数対の半筒状電極それぞれの対向隙間が基板搬送方向に一列になって連通していることが好ましい。

上記において、上記２つ一対の半筒状電極は互いの対向隙間が成膜時に閉じ、搬送時に開くことが好ましい。

本発明第２による成膜装置は、真空槽内に電極が配置され、真空槽内部に成膜ガスを導入すると共に電極に電圧を印加してこの成膜ガスをプラズマ化し、基板に成膜する成膜装置において、少なくとも一端側が開口した、上記電極としての筒状電極と、複数の基板を上記筒状電極の上記開口を基板の供給口と排出口となしこれら供給口と排出口とを通じて該筒状電極内部に対して供給および排出することができる基板供給排出装置と、を備えた、ことを特徴とするものである。

上記において、上記基板供給排出装置は、筒状電極の供給口に向けて基板を供給する基板供給装置と、筒状電極の排出口から排出される基板を収納する基板収納装置と、筒状電極内部の供給口と排出口との間の基板搬送経路上で基板を搬送する基板搬送装置と、を備えることが好ましい。

上記において、上記基板供給装置および基板収納装置は、真空槽に着脱自在となっていることが好ましい。

上記において、基板はワイヤであることが好ましい。

本発明によれば、炭素膜付き基板の量産性を向上し、この炭素膜付き基板を用いた真空デバイスの量産性向上ならびにその量産コストの低減化を図ることができる。

図１は本発明の実施の形態１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は成膜装置におけるワイヤ供給装置、プラズマ発生電極およびワイヤ収納装置の斜視図である。 図５はプラズマ発生電極とワイヤとの寸法関係の説明に供する図である。 図６は図４で示すプラズマ発生電極１８の側面から見た断面図である。 図７Ａは本発明の実施の形態２に係る成膜装置においてワイヤ搬送時のプラズマ発生電極の平面図である。 図７Ｂはワイヤ成膜時におけるプラズマ発生電極の平面図である。 図８Ａは本発明の実施の形態３における円筒状電極内へのワイヤのセット時の斜視図である。 図８Ｂは排出時の斜視図である。 図９は本発明の実施の形態４に係る成膜装置の概略構成を示す図である。 図１０は成膜装置で炭素膜を成膜したワイヤを用いたフィールドエミッションランプの断面図である。

符号の説明

２ 成膜装置
４ 真空槽
１８ プラズマ発生電極
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

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。この成膜装置では成膜対象となる基板をワイヤに適用している。

（実施の形態１）
図１ないし図５を参照して本発明の実施の形態１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によりワイヤ（基板の一例）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炭素膜付きワイヤ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、プラズマ発生電極１８と、このプラズマ発生電極１８にワイヤ２０を供給するワイヤ供給装置（基板供給装置）２２と、このプラズマ発生電極１８で炭素膜が成膜されたワイヤ２０を巻き取って収納するワイヤ収納装置（基板収納装置）２４と、を備えている。

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には搬送ベルト２６に一定間隔で上端側が吊支されたワイヤ２０が巻き付けられている。ワイヤ２０は下端側も別の搬送ベルトで支持することが好ましい。また、このワイヤ２０の下端側は空中架設したモノレール式の搬送軌道で支持してもよい。

ワイヤ２０は搬送ベルト２６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。複数のワイヤ２０は搬送ベルト２６により上端側が固定されていることにより鉛直方向（図１の紙面を垂直に貫通する方向、図２の紙面の上下方向）に吊支され一定間隔で整列している。このワイヤ２０の吊支方向を説明の都合で縦方向と称する。

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をプラズマ発生電極１８にガイドするガイドローラ３２と、プラズマ発生電極１８から排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。

ワイヤ供給装置２２、ワイヤ収納装置２４、およびプラズマ発生電極１８は真空槽４の底部に敷設した絶縁シート１７上に配置されている。

プラズマ発生電極１８は、直流電源１４の負極に接続されている。直流電源１４の正極は接地されている。プラズマ発生電極１８は、ワイヤ供給装置２２とワイヤ収納装置２４との間に配置されている。プラズマ発生電極１８は、ワイヤ供給装置２２と、ワイヤ収納装置２４と共に、一直線上に配置してガイドローラ３２，３４を省略可能としてもよい。

以上の構成においてプラズマ発生電極１８の構成をさらに詳しく説明する。

プラズマ発生電極１８は、一列になって真空槽４の底部上に連設された複数の円筒状電極を縦方向（図１紙面貫通方向、図２紙面上下方向）に半割りして２つ一対の半円筒状電極１８ａ１，１８ｂ１；１８ａ２，１８ｂ２；１８ａ３；１８ｂ３；１８ａ４，１８ｂ４(説明の都合で半円筒状電極１８ａ，１８ｂと称することがある)の複数組により構成されている。

これら半円筒状電極１８ａ，１８ｂは、ワイヤ搬送方向に一列に配置された構成になっている。一方側の半円筒状電極１８ａと他方側の半円筒状電極１８ｂとは、所定隙間ｗ０を空けてほぼ平行に対向した構成になっている。この対向隙間ｗ０は縦方向に長く、対向方向に狭い長方形形状になっている。これら両半円筒状電極１８ａ，１８ｂの対向隙間ｗ０にプラズマ発生電極１８内部におけるワイヤ搬送通路３０が形成される。

これら対向隙間ｗ０のうちワイヤ供給装置２２に近い側の対向隙間ｗ０はワイヤ供給口であり、ワイヤ収納装置２４に近い側の対向隙間ｗ０はワイヤ排出口を構成する。

図３を参照して実施の形態１において対向隙間ｗ０の大きさ等を説明する。図３はプラズマ発生電極１８とワイヤ２０とを示す。プラズマ発生電極１８を構成する一方側と他方側の半円筒状電極１８ａ，１８ｂそれぞれの対向隙間ｗ０はワイヤ２０の直径φ１よりも大きい。また、プラズマ発生電極１８内部におけるワイヤ搬送通路３０の長さＲ０は、ワイヤ２０表面への炭素膜の成膜条件に応じて適宜に設定することができる。また、プラズマ発生電極１８の電極高さＨ０は、ワイヤ２０の長さＬ１に対して長短いずれでもよい。

この対向隙間ｗ０のうちワイヤ２０の供給口側の対向隙間ｗ０に対してワイヤ２０はワイヤ供給装置２２からガイドローラ３２を介してプラズマ発生電極１８の供給口側の対向隙間ｗ０から当該プラズマ発生電極１８内部に搬入される。また、プラズマ発生電極１８内部で成膜されたワイヤ２０はプラズマ発生電極１８の排出口側の対向隙間ｗ０から排出されてくる。プラズマ発生電極１８から排出されてくるワイヤ２０は、ガイドローラ３４を介してワイヤ収納装置２４で巻き取られて収納されるようになっている。

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、搬送モータ２４ｃの制御を行う。制御装置６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。

また、制御装置６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および図５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、ワイヤ供給装置２２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３２を介してプラズマ発生電極１８のワイヤ供給口である対向隙間ｗ０からプラズマ発生電極１８内に供給される。さらに、ワイヤ２０は内部のワイヤ搬送通路３０に搬送され、さらに、プラズマ発生電極１８のワイヤ排出口である対向隙間ｗ０から排出され、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、プラズマ発生電極１８に直流電源１４を印加すると、プラズマ発生電極１８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、プラズマ発生電極１８内のワイヤ搬送通路３０を通過するワイヤ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６に図４で示すプラズマ発生電極１８の側面から見た断面構成を示す。図６で示すようにワイヤ２０は対向隙間ｗ０からプラズマ発生電極１８の内部に搬入されると、搬入側から各半円筒状電極１８ａ１，１８ｂ１；１８ａ２，１８ｂ２；１８ａ３；１８ｂ３；１８ａ４，１８ｂ４内部それぞれで発生するプラズマ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄでワイヤ２０表面に炭素膜２０ａがガス圧力、ガス流量、成膜時間等の制御を受けて成膜される。

以上において、実施の形態１では、プラズマ発生電極１８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、炭素膜付きのワイヤ２０の量産性が向上する。これにより、炭素膜付きのワイヤ２０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。

（実施の形態２）
図７Ａ，図７Ｂを参照して本発明の実施の形態２の成膜装置を説明する。実施の形態２の成膜装置２では、プラズマ発生電極１８を構成する複数対の半円筒状電極１８ａ，１８ｂは、ワイヤ２０の搬送時では、図７Ａで示すようにそれらの対向隙間ｗ０を保ち、ワイヤ２０への成膜時では、図７Ｂで示すようにそれらの対向隙間ｗ０を詰めてプラズマをより効率的に発生することができるようにしてもよい。図７Ａの場合、ワイヤ供給装置２２に近い側の対向隙間ｗ０はワイヤ供給口となり、ワイヤ収納装置２４に近い側の対向隙間ｗ０はワイヤ排出口となる。

（実施の形態３）
図８Ａ，図８Ｂを参照して本発明の実施の形態３の成膜装置を説明する。実施の形態３の成膜装置２では、ワイヤ２０を、図８Ａから図８Ｂで示すようにプラズマ発生電極１８の一方端部側開口部から搬入し、ワイヤ２０が所定位置にセットされたときに成膜処理を施し、この成膜処理が終了すると、図８Ｂから図８Ａで示すようにワイヤ２０をプラズマ発生電極１８外に排出するようにしてもよい。

図８Ａ、図８Ｂでは、プラズマ発生電極１８の一方側開口部は、ワイヤ供給口とワイヤ排出口とを兼ねることになる。

また、図示を略するが、ワイヤ２０をプラズマ発生電極１８の両端部開口部において一端側開口部をワイヤ供給口としてワイヤ２０をプラズマ発生電極１８内部に供給し、他端側開口部をワイヤ排出口としてワイヤ２０をプラズマ発生電極１８の外部に排出してもよい。

（実施の形態４）
図９を参照して本発明の実施の形態４の成膜装置を説明する。実施の形態４の成膜装置２では、図９で示すように、ワイヤ供給装置２２と、ワイヤ収納装置２４とを、真空槽４に設けた開口部に矢印ａ，ｂ方向に着脱可能とすることができる。

この実施の形態４では、真空槽４に対してワイヤ供給装置２２とワイヤ収納装置２４とをセットすることが容易となり、成膜作業の効率化、ひいては、このワイヤ２０を用いた真空デバイスの量産性を向上することができる。

(適用例)
導電性のワイヤの表面に上記実施の形態の成膜装置を用いて炭素膜を成膜し、この炭素膜を成膜したワイヤを冷陰極電子源として用いたフィールドエミッションランプを図１０に示す。このフィールドエミッションランプ４０は、長手方向に延びるガラス製のランプ管４２の内面に蛍光体４４付きの陽極４６を形成し、ランプ管４２の管中央にワイヤ状に延びる陰極４８を空中架設したものがある。このワイヤ状陰極４８は導体であるワイヤ５０表面に上記炭素膜５２を成膜したものである。そして、上記フィールドエミッションランプ４０においては、陽極４６と陰極４８との間に高電圧を印加することにより、陰極４８表面の炭素膜５２から電界電子放出し、この放出した電子が蛍光体４４に電子衝突して該蛍光体４４が励起発光し、ランプ管４２外に照明光を発するものである。

本発明にかかる成膜装置は、ワイヤ表面に電界電子放出用の炭素膜を形成したものを冷陰極電子源として用い、電界放射型真空デバイス用の陰極ワイヤを量産する場合、そのワイヤ表面に炭素膜を成膜する装置として、特に有用である。

Claims (10)

1. 真空槽内に電極が配置され、真空槽内部に炭素膜成膜用のガスを導入すると共に電極に電圧を印加してこのガスをプラズマ化し、基板表面に炭素膜を成膜する成膜装置において、
   基板の供給口と排出口とを有する、上記電極としての筒状電極と、
   複数の基板を、上記筒状電極の供給口を通じて該筒状電極の内部に供給すると共に該筒状電極の排出口から排出する基板供給排出装置と、を備え、
   上記筒状電極は、直流電源の負極に接続されて内部にプラズマを高密度に発生して閉じ込めておく筒状のプラズマ発生電極を構成し、その内部を通過する基板表面に電界電子放出用の炭素膜を成膜する、ことを特徴とする成膜装置。
2. 上記筒状電極の供給口と排出口とが、上記筒状電極の長手方向の端部開口である、ことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 上記筒状電極の供給口と排出口とが当該筒状電極の両側面それぞれに形成された開口である、ことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
4. 上記筒状電極が複数連設されると共にこれら複数の筒状電極それぞれの供給口と排出口とが基板搬送方向に一列になって連通している、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の成膜装置。
5. 上記筒状電極は、互いの周方向両端部が所定の隙間を隔てて対向する２つ一対の半筒状電極からなり、
   この２つ一対の半筒状電極における、周方向一端側の対向隙間が上記供給口であり、周方向他端側の対向隙間が上記排出口である、ことを特徴とする請求項４に記載の成膜装置。
6. 上記２つ一対の半筒状電極が複数対連設されると共にこれら複数対の半筒状電極それぞれの対向隙間が基板搬送方向に一列になって連通している、ことを特徴とする請求項５に記載の成膜装置。
7. 上記２つ一対の半筒状電極は互いの対向隙間が成膜時に閉じ、搬送時に開く、ことを特徴とする請求項５または６に記載の成膜装置。
8. 真空槽内に電極が配置され、真空槽内部に炭素膜成膜用のガスを導入すると共に電極に電圧を印加してこのガスをプラズマ化し、基板に炭素膜を成膜する成膜装置において、
   少なくとも一端側が開口した、上記電極としての筒状電極と、
   複数の基板を上記筒状電極の上記開口を基板の供給口と排出口となしこれら供給口と排出口とを通じて該筒電極内部に対して供給および排出することができる基板供給排出装置と、を備え、
   上記筒状電極は、直流電源の負極に接続されて内部にプラズマを高密度に発生して閉じ込めておく筒状のプラズマ発生電極を構成し、その内部を通過する基板表面に電界電子放出用の炭素膜を成膜する、ことを特徴とする成膜装置。
9. 上記基板供給排出装置は、
   筒状電極の供給口に向けて基板を供給する基板供給装置と、
   筒状電極の排出口から排出される基板を収納する基板収納装置と、
   筒状電極内部の供給口と排出口との間の基板搬送経路上で基板を搬送する基板搬送装置と、
   を備えることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の成膜装置。
10. 上記基板供給装置および基板収納装置が、真空槽に着脱自在となっている、ことを特徴とする請求項９に記載の成膜装置。

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