JP5809711B2 - 薄膜の成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

Description

本発明は、ペットボトル（ＰＥＴボトル）等の容器の内面、外面のいずれか一方、または両方にＤＬＣ（Diamond Like Carbon）膜、ＳｉＯｘ膜、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＯＣＮ膜、ＳｉＮｘ膜、ＡｌＯｘ膜等のガスバリア性の高い薄膜を成膜する成膜装置に関するものである。

従来から、清涼飲料などを充填するためにペットボトルをはじめとする軽量のプラスチック製中空容器が用いられているが、利便性やコスト面から飲料・食品分野でのプラスチック容器使用の拡大が急速に進み、現在では、総容器のかなりな部分をペットボトルが占めるまでになっている。しかしながら、プラスチック容器は、金属缶やガラス壜と比較するとガスバリア性が低く、容器内への酸素侵入や容器外への炭酸ガスの放出等が生じ、内容物の品質保持性能に劣る場合がある。そのため、ＤＬＣ膜等のガスバリア性の高い薄膜を容器内面に成膜する試みがなされている。ＤＬＣ膜等のガスバリア性の高い薄膜は、真空減圧下にある真空チャンバ内でプラズマＣＶＤ法、金属蒸着法、発熱体ＣＶＤ法、スパッタリング法等により、容器内表面又は外表面に形成でき、容器内への酸素の流入や容器外への炭酸ガスの放出等に対するガスバリア性を飛躍的に高めることができる。

特開２００８−１２７０５４号公報 特開２００４−１０７７８１号公報

表面にＤＬＣ膜等の薄膜を成膜した容器を量産しようとする場合、真空状態に保持された真空チャンバ内で容器の成膜を行い、成膜完了後に真空チャンバ内を大気圧に戻して処理後の容器を取り出した後に、次の容器を真空チャンバに入れて真空引きをして成膜をすることを繰り返す。そのため、真空チャンバの真空引きを行う際は、常に大気圧からの真空引きとなるため、真空チャンバの真空引き時間が長くなり、サイクルタイムが遅延するという問題点がある。真空引き時間を短くして少サイクルタイム化を図るためには、大型の真空ポンプが必要となり、設備コストおよびランニングコストが上昇するという問題がある。

また、発熱体ＣＶＤ法は、ホットワイヤーＣＶＤ法、ホットフィラメントＣＶＤ法、触媒化学気相堆積法などとも呼称される製法であり、容器表面に薄膜を成膜する工程では、容器近傍に発熱体を配置して成膜処理を行うため、発熱体は真空チャンバ内に設置される。真空チャンバは、成膜工程完了後、大気圧に戻されるため、発熱体は定期的に空気中に晒される。結果、酸化等による発熱体の劣化が進み、成膜機能が低下するという問題がある。

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、容器表面に薄膜を成膜する際に膜厚分布の形成が容易になり、かつ発熱体の劣化を防止することができるとともに成膜時にチャンバ内を真空引きする際の真空引き時間を短縮することができる薄膜の成膜装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の成膜装置は、発熱体を用いて真空状態で容器の表面に成膜を行うための真空チャンバと、前記真空チャンバを真空引きする真空排気手段と、前記真空チャンバの真空引き開始後に、前記真空チャンバ内で容器と発熱体とを相対的に移動させる相対移動手段とを備え、前記真空チャンバは、前記容器を出し入れするための容器用チャンバと、前記発熱体を真空状態で保持するための発熱体保護用チャンバとに分割され、前記容器用チャンバと前記発熱体保護用チャンバとの間には、真空隔離手段が設けられていることを特徴とする。発熱体とは、それ自身は実質的に揮発せず、原料ガスを触媒化学反応によって及び／又は熱的に化学種に分解させうる部材であり、例えば、タンタル、炭化タンタル、タングステン、炭化タングステン、ニッケル−クロム合金又は炭素を表層の主成分とするワイヤーである。

本発明によれば、発熱体を容器に挿入する段階、発熱体と容器を相対移動させている段階、発熱体を容器から抜き出す段階のいずれの段階でも成膜を行うことができる。挿入・抜き出しを１回だけではなく、繰り返し行うこともできる。したがって、熱変形の観点で成膜時間の制約となりうる箇所は、短時間のみ成膜することが可能となり、他の部分は十分に成膜でき、その結果、容器全体のバリア性の向上が容易となる。

また、本発明によれば、真空チャンバを、容器を出し入れするための容器用チャンバと発熱体を真空状態で保持するための発熱体保護用チャンバとに分割し、容器用チャンバと発熱体保護用チャンバとの間に真空隔離手段を設けているため、発熱体保護用チャンバ内を真空状態で維持することができる。そのため、発熱体の劣化を防止することができ、成膜機能が低下することがない。また、成膜時に容器用チャンバを大気圧から真空引きをして容器用チャンバが所定の真空圧になったときに、容器用チャンバより低い真空圧にある発熱体保護用チャンバと連通させることにより、容器用チャンバの真空圧を下げることができる。すなわち、発熱体保護用チャンバが真空バッファ機能を果すため、容器用チャンバの真空引き時間を短縮することができ、サイクルタイムを短くすることができる。

本発明の一態様においては、前記容器用チャンバと前記発熱体保護用チャンバをそれぞれ個別の真空排気手段に連結してもよい。

本発明の一態様において、前記容器用チャンバは、容器の成膜時に大気圧から真空引きされて真空状態とされ、成膜完了後に大気圧に戻されてもよい。

上記の一態様においては、前記容器用チャンバを成膜完了後に大気圧へ戻すときに前記真空隔離手段が閉じて前記発熱体保護用チャンバが真空状態に維持されてもよい。これによれば、容器用チャンバが大気圧に戻されるときに発熱体保護用チャンバが真空状態に維持されるので、発熱体を真空状態で保持することができる。したがって、発熱体の劣化を防止することができ、成膜機能が低下することがない。

上記の一態様において、さらに、前記真空隔離手段は、前記容器用チャンバが真空引きされているときに開き、前記容器用チャンバと前記発熱体保護用チャンバとを連通させるものであってもよい。

本発明の一態様において、前記相対移動手段は、前記発熱体を前記発熱体保護用チャンバと前記容器用チャンバとの間で移動させるように設けられ、それにより、前記容器用チャンバが前記容器の成膜を行うための成膜用チャンバとして設けられてもよい。
なお、この場合、前記容器用チャンバを上側に配置し、前記発熱体保護用チャンバを下側に配置してもよい。この態様によれば、成膜時に発熱体を発熱体保護用チャンバから容器用チャンバに挿入する際に、容器を倒立状態にしておき、発熱体を上昇させるだけでよい。また、成膜後に発熱体を容器から引き抜いて発熱体保護用チャンバに戻す際に、発熱体を下降させるだけでよい。したがって、発熱体の駆動機構に昇降用電動シリンダ等の単純な機構を採用することができる。

上記の一態様において、前記発熱体は、前記真空隔離手段が開いた後に前記容器用チャンバ内に挿入され、成膜完了後に前記発熱体保護用チャンバに戻されてもよい。

上記の一態様において、さらに、前記真空隔離手段は、成膜完了後に前記発熱体が前記発熱体保護用チャンバに戻された後に、閉じるものとされてもよい。

本発明の一態様において、前記相対移動手段は、前記容器を前記容器用チャンバと前記発熱体保護用チャンバとの間で移動させるように設けられ、それにより、前記発熱体保護用チャンバが前記容器の成膜を行うための成膜用チャンバとして設けられてもよい。特に、容器を移動させる移動速度を調整可能な機構にすると、容器形状、容器耐熱特性や容器に要求する性能に応じて、容器の各部分の成膜時間を調整でき、バリア性能や容器外観の調整が容易となる。また、容器用チャンバと発熱体保護用チャンバとの間で容器を昇降させることにより、未処理の容器を容器用チャンバから発熱体保護用チャンバに供給することができるとともに処理済の容器を発熱体保護用チャンバから容器用チャンバに取り出すことができる。

上記の一態様においては、前記真空隔離手段が開いた後に前記容器が前記発熱体保護用チャンバ内に挿入され、成膜完了後に前記容器が前記容器用チャンバに戻されてもよい。この場合、容器が発熱体保護用チャンバに挿入された時に、発熱体を容器内に挿入すれば容器内表面に成膜されるため、成膜後に容器外部から加わる物理的な接触から薄膜が保護され、容器の品質管理が容易となる。ただし、容器の外表面に成膜することは、内容物と接触しない等の長所がある。この場合、発熱体が容器の外部に配置されるように前記発熱体保護用チャンバを構成すればよい。発熱体の配置により、一度の容器外表面の一部のみを成膜するようにも、あるいは一度の外面の全部を成膜できるようにも選択することができる。

上記の一態様において、さらに、前記真空隔離手段は、成膜完了後に前記容器が前記容器用チャンバに戻された後に、閉じるものとされてもよい。

本発明の一態様によれば、前記容器用チャンバは、該容器用チャンバに容器を出し入れするための開閉ゲートを備えていてもよい。
この態様によれば、開閉ゲートを開くことにより、容器を容器用チャンバに出し入れすることができる。そして、開閉ゲートを閉じて容器用チャンバを気密にした後に真空ポンプにより容器用チャンバ内の真空引きをすることができる。

本発明の一態様によれば、未処理の容器を所定位置から前記容器用チャンバに移送するとともに処理済の容器を前記容器用チャンバから所定位置に移送する容器移送装置を備えていてもよい。
この態様によれば、容器移送装置により、未処理の容器を所定位置、例えばコンベアの搬送面から容器用チャンバに移送することができ、また処理済の容器を容器用チャンバから所定位置、例えばコンベアの搬送面に移送することができる。

発熱体保護用チャンバにおいて容器を倒立状態で成膜処理する場合には、容器移送装置は反転装置を含み、容器移送装置は、所定位置、例えばコンベアの搬送面上にある未処理の容器を反転装置で反転させて倒立状態にした後に容器用チャンバに移送する。なお、容器を移送後に待機位置で反転してもよい。また、容器移送装置は、処理済の容器を容器用チャンバから反転装置に移送した後に、反転装置で反転させて正立状態にして所定位置、例えばコンベアの搬送面上に戻す。
発熱体保護用チャンバにおいて容器を正立状態で成膜処理する場合には、容器移送装置は、所定位置、例えばコンベアの搬送面上にある未処理の容器を保持して容器用チャンバに移送する。また、容器移送装置は、処理済の容器を容器用チャンバから取り出した後に、所定位置、例えばコンベアの搬送面上に移送する。

本発明の一態様によれば、前記所定位置は、コンベア上の位置であってもよい。

本発明の一態様によれば、前記容器用チャンバの容積は、前記発熱体保護用チャンバの容積より小さいものとされてもよい。この態様によれば、容器用チャンバを真空引きする際に、真空引きの時間を短縮することができる。

本発明の一態様によれば、前記容器用チャンバ側の真空ポンプの容量は、前記発熱体保護用チャンバ側の真空ポンプの容量より小さいものとされてもよい。この態様によれば、容器用チャンバ側の真空ポンプを小型化することができる。

また、本発明の成膜方法は、発熱体を用いて真空状態で容器の表面に成膜を行うための真空チャンバが、前記容器を出し入れするための容器用チャンバと、前記発熱体を真空状態で保持するための発熱体保護用チャンバとに分割され、前記容器用チャンバと前記発熱体保護用チャンバとの間には、真空隔離手段が設けられた成膜装置を用いて前記容器の表面に成膜する薄膜の成膜方法であって、前記発熱体保護用チャンバが真空状態にあるときに前記真空隔離手段を閉じて前記発熱体保護用チャンバの真空状態を維持しつつ、前記容器用チャンバに対して前記容器を出し入れする手順と、前記容器用チャンバが真空引きされているときに前記真空隔離手段を開いて前記容器用チャンバと前記発熱体保護用チャンバとを連通させる手順と、前記真空隔離手段が開いた後に前記容器と前記発熱体とを相対的に移動させて成膜を行う手順と、を備えることを特徴とするものである。

本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
（１）熱変形の観点で成膜時間の制約となりうる箇所は、短時間のみ成膜することが可能となり、他の部分は十分に成膜でき、その結果、容器全体のバリア性の向上が容易となる。
（２）容器の用途・要求外観品質に応じた膜厚分布の形成が容易となる。グラデーションがある呈色などを実現することが可能となる。
（３）従来は、容器熱変形を防止する策として、発熱体が完全挿入された後に成膜を開始することがあったが、本発明によれば、発熱体の容器への挿入段階から成膜を開始できるため、サイクルタイムの削減が可能となる。
（４）発熱体を常に真空状態で保持することができるため、発熱体の劣化を防止することができ、成膜機能が低下することがない。
（５）容器出入用チャンバのみを真空と大気開放を繰り返すようにし、成膜専用チャンバは常に真空状態にしているため、成膜時にはボトル出入用チャンバのみを真空引きすればよい。したがって、成膜時における真空チャンバ全体の真空引き時間を短縮することができ、サイクルタイムを短くすることができる。
（６）容器をボトル出入用チャンバに投入した後に容器出入用チャンバを大気圧から真空引きして所定の真空圧になったときに、容器出入用チャンバより低い真空圧にある成膜専用チャンバと連通させることにより、容器出入用チャンバの真空圧を下げることができる。すなわち、成膜専用チャンバが真空バッファ機能を果たすため、容器出入用チャンバの真空引き時間を短縮することができ、サイクルタイムを短くすることができる。
（７）容器出入用チャンバと成膜専用チャンバとの間で複数の容器を昇降させることにより、複数の未処理の容器をボトル出入用チャンバから成膜専用チャンバに供給して複数の容器を同時に成膜処理することができる。また、複数の処理済の容器を成膜専用チャンバから容器出入用チャンバに取り出すことができる。

図１は、本発明に係る薄膜の成膜装置の全体構成を示す模式的断面図である。 図２は図１に示す成膜装置の側断面図である。 図３は、本発明の第２の実施形態に係る薄膜の成膜装置の全体構成を示す模式的断面図である。 図４は、図３に示す薄膜の成膜装置の側断面図である。 図５は、ペットボトルとペットボトル内に挿入された発熱体線とを示す模式的断面図である。 図６は、容器と発熱体とを示す模式図である。 図７は、発熱体と容器内面までの距離と、発熱体と容器の相対移動速度との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る薄膜の成膜装置の実施形態を図１乃至図７を参照して説明する。なお、図１から図７において、同一または相当する構成要素には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１および図２は、本発明に係る薄膜の成膜装置の第１の実施形態を示す図である。
図１は、本発明の第１の実施形態の第１の実施形態に係る薄膜の成膜装置の全体構成を示す模式的断面図である。図２は図１に示す成膜装置の側断面図である。図１および図２に示すように、本発明の薄膜の成膜装置は、真空チャンバを成膜用チャンバ１と発熱体保護用チャンバ２の２つに分割した構成を備えている。成膜用チャンバ１は上側に配置され、発熱体保護用チャンバ２は下側に配置されている。成膜用チャンバ１の容積は発熱体保護用チャンバ２の容積より小さく設定されている。成膜用チャンバ１と発熱体保護用チャンバ２は、真空隔離手段としてのゲートバルブ３を介して連結されている。成膜用チャンバ１は連結部１ａを介して真空排気手段としての真空ポンプ（図示せず）に連結されており、成膜用チャンバ１内は真空ポンプによって真空引きされるようになっている。また、成膜用チャンバ１は、ペットボトル４を成膜用チャンバ１に出し入れする際に開閉する扉又はシャッタ（図示せず）を備えている。成膜用チャンバ１内には、ペットボトル４を倒立状態で保持するボトル保持部１１が設置されている。

また、発熱体保護用チャンバ２は連結部２ａを介して真空排気手段としての真空ポンプ（図示せず）に連結されており、発熱体保護用チャンバ２内は真空ポンプによって真空引きされるようになっている。本実施形態においては、成膜用チャンバ１と発熱体保護用チャンバ２とは、それぞれ個別の真空ポンプに連結されている。成膜用チャンバ１側の真空ポンプの容量は発熱体保護用チャンバ２側の真空ポンプの容量より小さい。発熱体保護用チャンバ２内には、電源（図示せず）と電気的に接続された発熱体２１を備えた発熱体ユニット２２と、発熱体ユニット２２を昇降させる発熱体ユニット昇降用電動シリンダ２３とが配置されている。なお、図示されていないが、発熱体２１の一部は、ペットボトル４の内部に挿入・抜き出し可能な銅製の棒状部品からなり、発熱体が加熱した際には実質加熱されない構成となっている。発熱体ユニット昇降用電動シリンダ２３は、スピードコントローラにより発熱体ユニット２２を昇降させる昇降速度が可変になっている。発熱体ユニット昇降用電動シリンダ２３は、ペットボトル４と発熱体２１を相対的に移動させる相対移動手段を構成し、ペットボトル４と発熱体２１とを相対的に移動させてペットボトル４の被成膜部分と発熱体２１を対向させる。なお、図１および図２においては、発熱体２１が上昇した状態を示している。

図１および図２に示すように構成された成膜装置において、発熱体保護用チャンバ２内は常に真空状態とし、発熱体保護用チャンバ２内にある発熱体２１が常に真空状態で保持されるようになっている。このとき、ゲートバルブ３は閉止状態とし、発熱体保護用チャンバ２と成膜用チャンバ１との連通を遮断している。

成膜用チャンバ１内にペットボトル４が入れられてペットボトル４がボトル保持部１１上にセットされた後に、成膜用チャンバ１内の真空引きを開始する。そして、成膜用チャンバ１内が発熱体保護用チャンバ２内の真空圧よりは低いが、所定の真空圧になったときに、ゲートバルブ３を開き、成膜用チャンバ１と発熱体保護用チャンバ２とを連通させる。これにより、成膜用チャンバ１内の真空圧が上昇し、発熱体保護用チャンバ２内の真空圧と同等になる。したがって、成膜用チャンバ１の真空引き時間を短縮することができる。発熱体ユニット２２には、図示しない電源から電力が供給されて発熱体２１が発熱するようになっている。発熱体ユニット昇降用電動シリンダ２３を作動させて、あらかじめ定められた速度に従って発熱体ユニット２２を昇降させ、発熱体２１およびガス供給管２５をペットボトル４内に挿入・抜出しする。この間に、成膜用チャンバ１内は成膜可能な真空圧に達し、ガス供給管２５からペットボトル４内に原料ガスを供給するとともに発熱体２１に電流が流される。これによって、発熱体２１が高温となり、発熱体２１は熱触媒体となる。ガス供給管２５から吹き出た原料ガスは、熱触媒体となった発熱体２１に接触し、触媒化学反応によって及び／又は熱的に化学種に分解される。この化学種がペットボトル４の内面に到達し、ペットボトル４の内面に薄膜を形成する。

本発明によれば、発熱体ユニット２２を昇降させる昇降速度を調整可能な構成にすることにより、容器形状、容器耐熱特性や容器に要求する性能に応じて、容器の各部分の成膜時間を調整でき、バリア性能や容器外観の調整が容易となる。この点については、後述する。

ペットボトル４の内面に所定の膜厚の薄膜が成膜されたら、成膜を完了し、発熱体ユニット２２を下降させ、発熱体２１を発熱体保護用チャンバ２内に戻す。そして、ゲートバルブ３を閉じ、成膜用チャンバ１と発熱体保護用チャンバ２との連通を遮断する。その後、成膜用チャンバ１内を大気圧に戻し、処理済のペットボトル４を成膜用チャンバ１から取り出した後に、次のペットボトル４を成膜用チャンバ１に入れて真空引きをして成膜をする。上述の工程において、発熱体２１は常時真空状態で維持される。その後、上述の工程を繰り返す。

次に、本発明に係る薄膜の成膜装置の第２の実施形態を図３乃至図５を参照して説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態に係る薄膜の成膜装置の全体構成を示す模式的断面図である。図４は図３に示す薄膜の成膜装置の側断面図である。図３および図４に示すように、本発明の薄膜の成膜装置は、装置フレームＦ内に成膜専用チャンバ３１とボトル出入用チャンバ３２の２つのチャンバを備えている。成膜専用チャンバ３１は下側に配置され、ボトル出入用チャンバ３２は上側に配置されている。成膜専用チャンバ３１とボトル出入用チャンバ３２は、真空隔離手段としてのゲートバルブ３３を介して連結されている。

成膜専用チャンバ３１は連結部３１ａを介して真空排気手段としての真空ポンプＶＰ１に連結されており、成膜専用チャンバ３１内は真空ポンプＶＰ１によって真空引きされるようになっている。成膜専用チャンバ３１には発熱体４２を備えた発熱体ユニット４４が複数個配置されている。発熱体ユニット４４には図示しない電源から電力が供給され、これにより発熱体４２が発熱するようになっている。各発熱体４２は倒立状態で保持された各ペットボトル４内に挿入されるようになっている。なお、発熱体の加熱には通電加熱が容易で、そのためにはプラズマＣＶＤ法で用いるような高周波電源及び整合器の組合せよりも安価な交流または直流の電源が使用可能である。本実施形態では、８個の発熱体ユニット４４が配置されており、成膜専用チャンバ３１内で同時に計８本のペットボトル４の成膜処理が可能になっている。

また、ボトル出入用チャンバ３２は連結部３２ａを介して真空排気手段としての真空ポンプＶＰ２に連結されており、ボトル出入用チャンバ３２内は真空ポンプＶＰ２によって真空引きされるようになっている。ボトル出入用チャンバ３２内には、複数のペットボトル４を保持して昇降させるボトル昇降装置５１が２セット設置されている。各ボトル昇降装置５１は、４本のペットボトル４を保持して昇降可能に構成されており、４本のペットボトル４を保持して成膜専用チャンバ３１に下降することができ、また４本のペットボトル４を成膜専用チャンバ３１からボトル出入用チャンバ３２に取り出すことができるようになっている。ボトル昇降装置５１は、ペットボトル４を成膜専用チャンバ３１とボトル出入用チャンバ３２との間で昇降させる昇降速度が可変になっている。ボトル昇降装置５１は、ペットボトル４と発熱体４２を相対的に移動させる相対移動手段を構成し、ペットボトル４と発熱体４２とを相対的に移動させてペットボトル４の被成膜部分と発熱体４２を対向させる。ボトル昇降装置５１の昇降機構部は、チャンバの内部に設置してもよいし外部に設置してもよい。昇降機構部をチャンバの外部に設置した場合には、ペットボトル４を保持する部分のみがチャンバの内部にあってこの部分が外部の昇降機構部により昇降される構成となる。

ボトル出入用チャンバ３２は上端に開閉ゲート５６を備えており、開閉ゲート５６を閉じることによりボトル出入用チャンバ３２内を気密状態にして真空ポンプＶＰ２により真空引きすることができるようになっている。そして、開閉ゲート５６を開くことにより、ボトル出入用チャンバ３２内に未処理のペットボトル４を導入し又はボトル出入用チャンバ３２内の処理済のペットボトル４を取り出すことができるようになっている。

次に、ペットボトル４を反転させる反転装置５７と、反転したペットボトル４をボトル出入用チャンバ３２に投入するとともに処理済のペットボトル４をボトル出入用チャンバ３２から取り出すためのボトルハンドリング装置６０について説明する。反転装置５７とボトルハンドリング装置６０は、ボトル移送装置を構成する。
図４に示すように、装置フレームＦ内には、直立状態のペットボトル４を搬送するコンベア７０が設置されている。コンベア７０に並列して、コンベア７０上のペットボトル４に定間隔を形成するためのピッチ割り用のスクリュー７１が配置されている。また、コンベア７０に隣接してペットボトル４を反転するための反転装置５７が設置されている。

反転装置５７はペットボトル４の胴部を掴む複数のチャック５８を備えている。反転装置５７は、コンベア７０上においてスクリュー７１によりピッチ割りされた複数のペットボトル４を複数のチャック５８にて掴み反転させることができるようになっている。また、反転装置５７は、倒立状態の複数のペットボトル４を複数のチャック５８にて掴み反転させて正立状態としてコンベア７０に戻すことができるようになっている。本実施形態では、反転装置５７は８本のペットボトル４を同時に反転できるようになっている。

図３および図４に示すように、ボトルハンドリング装置６０は、ボトル出入用チャンバ３２およびコンベア７０の上方の位置において装置フレームＦ上に設置されている。ボトルハンドリング装置６０は、倒立状態の複数の未処理のペットボトル４をボトル出入用チャンバ３２内に投入するとともにボトル出入用チャンバ３２内でボトル昇降装置５１により倒立状態で保持されている複数の処理済のペットボトル４をボトル出入用チャンバ３２から取り出すようになっている。本実施形態では、ボトルハンドリング装置６０は、８本のペットボトルをハンドリングできるようになっている。

ボトルハンドリング装置６０は、昇降軸６３を備え、昇降軸６３の下端にペットボトル４の底部を吸着する吸着ヘッド６４が設けられている。ボトルハンドリング装置６０は、往復移動機構６２によりボトル出入用チャンバ３２の上方の位置と反転装置５７の上方の位置との間を往復移動可能に構成されている。したがって、ボトルハンドリング装置６０は、昇降軸６３を下降させて反転装置５７の位置にある倒立状態の複数の未処理のペットボトル４を吸着ヘッド６４により吸着して昇降軸６３を上昇させ、その後、往復移動機構６２によりボトル出入用チャンバ３２の上方まで移動した後に、昇降軸６３を下降させて複数のペットボトル４をボトル出入用チャンバ３２に投入することができる。また、ボトルハンドリング装置６０は、昇降軸６３を下降させてボトル出入用チャンバ３２内にある倒立状態の複数の処理済のペットボトル４を吸着ヘッド６４により吸着して昇降軸６３を上昇させ、その後、往復移動機構６２により反転装置５７の上方まで移動した後に、昇降軸６３を下降させて複数のペットボトル４を反転装置５７に戻すことができる。

図３および図４に示すように構成された成膜装置において、真空ポンプＶＰ１を作動させることにより成膜専用チャンバ３１内は常に真空状態とし、成膜専用チャンバ３１内にある発熱体４２が常に真空状態で保持されるようになっている。このとき、ゲートバルブ３３は閉止状態とし、成膜専用チャンバ３１とボトル出入用チャンバ３２との連通を遮断している。コンベア７０によって直立状態で連続的に搬送されるペットボトル４は、ピッチ割り用のスクリュー７１によりピッチ割りされて隣接するボトル間に定間隔が形成される。ピッチ割りされた複数のペットボトル４は、反転装置５７により反転されて倒立状態になる。倒立状態の複数のペットボトル４は、ボトルハンドリング装置６０の吸着ヘッド６４により吸着される。このとき、ボトル出入用チャンバ３２の開閉ゲート５６は開いている。ボトルハンドリング装置６０は、複数の未処理のペットボトル４を移送してボトル出入用チャンバ３２内に投入する。本実施形態では、８本のペットボトル４を同時にボトル出入用チャンバ３２内に投入可能である。ボトル出入用チャンバ３２内に投入された複数のペットボトル４がボトル昇降装置５１に保持されると、開閉ゲート５６を閉じ、真空ポンプＶＰ２を作動させてボトル出入用チャンバ３２内の真空引きを開始する。

真空ポンプＶＰ２の作動によりボトル出入用チャンバ３２内が成膜専用チャンバ３１内の真空圧より低いが、所定の真空圧になったときに、ゲートバルブ３３を開き、成膜専用チャンバ３１とボトル出入用チャンバ３２とを連通させる。これにより、ボトル出入用チャンバ３２内の真空圧が上昇し、成膜専用チャンバ３１内の真空圧と同等になる。したがって、ボトル出入用チャンバ３２の真空引き時間を短縮することができる。そして、ボトル出入用チャンバ３２内のボトル昇降装置５１を作動させて複数の未処理のペットボトル４を成膜専用チャンバ３１内に供給する。成膜専用チャンバ３１内に供給された複数のペットボトル４は、ボトル昇降装置５１により保持されている。ペットボトル４はボトル昇降装置５１に保持され、あらかじめ定められた速度で上昇・下降されることにより、各発熱体４２が各ペットボトル４内に挿入・抜き出しされる。

図５は、ペットボトル４とペットボトル４内に挿入された発熱体４２とを示す模式的断面図である。図５では、ペットボトル４がボトル昇降装置５１の上昇・下降により、発熱体ユニット４４の発熱体４２およびガス供給管４３がペットボトル４内に挿入された状態となっている。なお、ボトル昇降装置５１の図示は省略している。上述した挿入・抜き出し工程の間に、成膜専用チャンバ３１内は成膜可能な真空圧に達し、ガス供給管４３からペットボトル４内に原料ガスを供給するとともに発熱体４２に電流が流される。これによって、発熱体４２が高温となり、発熱体４２は熱触媒体となる。ガス供給管４３から吹き出た原料ガスは、熱触媒体となった発熱体４２に接触し、触媒化学反応によって及び／又は熱的に化学種に分解される。この化学種がペットボトル４の内面に到達し、ペットボトル４の内面に薄膜を形成する。

本発明によれば、ペットボトル４を昇降させる昇降速度を調整可能な構成にすることにより、容器形状、容器耐熱特性や容器に要求する性能に応じて、容器の各部分の成膜時間を調整でき、バリア性能や容器外観の調整が容易となる。この点については、後述する。

ペットボトル４の内面に所定の膜厚の薄膜が成膜されたら、成膜を完了する。次に、ボトル昇降装置５１により処理済のペットボトル４を成膜専用チャンバ３１から取り出してボトル出入用チャンバ３２に戻した後に、ゲートバルブ３３を閉じ、その後、ボトル出入用チャンバ３２に設置された真空破壊弁（図示せず）を作動させてボトル出入用チャンバ３２内を大気開放する。このとき、成膜専用チャンバ３１内は常に真空状態とし、成膜専用チャンバ３１内にある発熱体４２が常に真空状態で保持される。次に、開閉ゲート５６を開いてボトルハンドリング装置６０によりボトル出入用チャンバ３２内のペットボトル４を取り出して反転装置５７に戻す。そして、ボトルハンドリング装置６０は新たな未処理の複数のペットボトル４を吸着してボトル出入用チャンバ３２内に投入する。新たなペットボトル４がボトル出入用チャンバ３２内に投入された後は、上述のペットボトル４の成膜専用チャンバ３１への供給工程およびペットボトル４の成膜工程が繰り返される。

図３乃至図５に示す成膜装置においては、複数のペットボトル４を倒立状態で成膜処理する場合を例示したが、複数のペットボトル４を正立状態で成膜処理してもよい。この場合には、成膜専用チャンバ３１は上側に配置され、ボトル出入用チャンバ３２は下側に配置され、発熱体４２は成膜専用チャンバ１の天板部から下方に延びる構成となり、ボトル出入用チャンバ３２の開閉ゲートはボトル出入用チャンバ３２の下端部に設置される構成となる。反転装置５７は省略される。また、ボトルハンドリング装置６０は、コンベア上で正立状態にある複数の未処理のペットボトル４を保持してボトル出入用チャンバ３２に投入することができ、ボトル出入用チャンバ３２内にある複数の処理済のペットボトル４を保持してコンベアに戻すことができるように構成されている。

本発明の第１実施形態および第２実施形態の説明から明らかなように、本発明においては、真空チャンバを閉じて真空引き開始後に容器と発熱体とを相対的に移動させるように構成し、かつ容器と発熱体との相対移動速度を可変にしている。以下に、その理由を説明する。
本発明の対象である発熱体ＣＶＤ法には、以下の特徴がある。
（１）発熱体に近いほど、成膜速度が大きく、また容器に対する熱負荷が大きい。
通常は１ｃｍ〜１０ｃｍが、数Ｐａの真空下では成膜に適した距離とされる。
（２）結果として、立体容器に成膜する場合、発熱体と容器との距離と、発熱体の加熱時間により、立体容器の各部位に形成される膜厚（膜質）および熱負荷が決まることになる。
（３）膜厚および膜質は、各部位のバリア性及び呈色を決め、熱負荷は、熱変形の有無を決めることになる。熱変形した場合、一般にはその立体容器の商品価値がなくなる。
（４）立体容器には、用途により、容器全体のバリア性のほか、好ましい膜厚や呈色の分布があり、また、形状により、薄膜形成速度が速い／遅いところ、ならびに、熱負荷が高く／低くなりやすい部位が生じる。

従来の成膜装置においては、発熱体と容器の位置を固定して成膜する方法が採用されていたが、このような方法では、発熱体と容器との距離により、容器の用途や形状に応じた成膜部位間の調整が困難である。

本発明によれば、発熱体と立体容器とを相対的に移動させながら成膜する構成であって、当該相対移動手段を可変速とすることで、成膜部位間の薄膜形成を微細に調整しながら、容器の用途や形状に応じた成膜が可能となる。この点について、図６および図７を参照して説明する。
図６は、容器と発熱体とを示す模式図である。図７は、発熱体と容器内面までの距離と、発熱体と容器の相対移動速度との関係を示すグラフである。厳密には、同質の薄膜の形成速度が、発熱体と容器内面までの距離に比例する場合の事例を用いて説明する。図６には、立体容器の輪郭（実線で示す）と発熱体通過位置（点線で示す）とが図示されている。図６に示すように、容器の口部から底部に向かう容器の軸心方向をｘ軸、容器の軸心から容器内面に向かう半径方向をＹ軸とすると、発熱体通過位置は容器の軸心方向（ｘ軸）と一致している。容器の口部（ｘ＝０）から容器の底部（ｘ＝１００）までにおける発熱体と容器内面までの距離（Ｙ軸）をプロットすると、図７の細い実線のように表すことができる。図示するように、発熱体と容器内面までの距離は変動する。この距離の変動に応じて、発熱体と容器の相対移動速度を図７の太い実線で示すように可変にする。すなわち、発熱体と容器内面までの距離が近い箇所では、相対移動速度を速くし、発熱体と容器内面までの距離が遠い箇所では、相対移動速度を遅くする。この可変速移動手段の例としては、
１）サーボモーター、ステッピングモーター
２）電磁制御スピードコントローラー付きエアシリンダー
３）機械式（カムとカムフォロワー）などがある。

上述のように構成することにより、以下のような効果を期待できる。
（１）バリア性向上（容器熱変形防止）
熱変形の観点で成膜時間の制約となりうる箇所は、短時間のみ成膜することが可能となり、他の部分は十分に成膜でき、結果、容器全体のバリア性の向上が容易となる。
（２）呈色調整
容器の用途・要求外観品質に応じた膜厚分布の形成が容易となる。グラデーションがある呈色などを実現することが可能となる。
（３）生産性向上
これまでは、容器熱変形を防止する策として、発熱体が完全挿入された後に成膜を開始することがあったが、本発明によれば、発熱体の容器への挿入段階から成膜を開始できるため、サイクルタイムの削減が可能となる。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

本発明は、ペットボトル（ＰＥＴボトル）等の容器の内面、外面のいずれか一方、または両方にＤＬＣ（Diamond Like Carbon）膜、ＳｉＯｘ膜、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＯＣＮ膜、ＳｉＮｘ膜、ＡｌＯｘ膜等のガスバリア性の高い薄膜を成膜する成膜装置に利用可能である。

１ 成膜専用チャンバ
１ａ 連結部
２ 発熱体保護用チャンバ
２ａ 連結部
３ ゲートバルブ
４ ペットボトル
１１ ボトル保持部
２１ 発熱体
２２ 発熱体ユニット
２３ 発熱体ユニット昇降用電動シリンダ
２５ ガス供給管
３１ 成膜専用チャンバ
３１ａ，３２ａ 連結部
３２ ボトル出入用チャンバ
３３ ゲートバルブ
４２ 発熱体
４３ ガス供給管
４４ 発熱体ユニット
５１ ボトル昇降装置
５６ 開閉ゲート
５７ 反転装置
５８ チャック
６０ ボトルハンドリング装置
６２ 往復移動機構
６３ 昇降軸
６４ 吸着ヘッド
７０ コンベア
７１ スクリュー
Ｆ 装置フレーム
ＶＰ１，ＶＰ２ 真空ポンプ

Claims (15)

1. 発熱体を用いて真空状態で容器の表面に成膜を行うための真空チャンバと、
   前記真空チャンバを真空引きする真空排気手段と、
   前記真空チャンバの真空引き開始後に、前記真空チャンバ内で容器と発熱体とを相対的に移動させる相対移動手段と、を備え、
   前記真空チャンバは、前記容器を出し入れするための容器用チャンバと、前記発熱体を真空状態で保持するための発熱体保護用チャンバとに分割され、
   前記容器用チャンバと前記発熱体保護用チャンバとの間には、真空隔離手段が設けられていることを特徴とする薄膜の成膜装置。
2. 前記容器用チャンバと前記発熱体保護用チャンバをそれぞれ個別の真空排気手段に連結したことを特徴とする請求項１記載の薄膜の成膜装置。
3. 前記容器用チャンバは、容器の成膜時に大気圧から真空引きされて真空状態とされ、成膜完了後に大気圧に戻されることを特徴とする請求項１記載の薄膜の成膜装置。
4. 前記容器用チャンバを成膜完了後に大気圧へ戻すときに前記真空隔離手段が閉じて前記発熱体保護用チャンバが真空状態に維持されることを特徴とする請求項３記載の薄膜の成膜装置。
5. 前記真空隔離手段は、前記容器用チャンバが真空引きされているときに開き、前記容器用チャンバと前記発熱体保護用チャンバとを連通させることを特徴とする請求項４記載の薄膜の成膜装置。
6. 前記相対移動手段は、前記発熱体を前記発熱体保護用チャンバと前記容器用チャンバとの間で移動させるように設けられ、それにより、前記容器用チャンバが前記容器の成膜を行うための成膜用チャンバとして設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の薄膜の成膜装置。
7. 前記発熱体は、前記真空隔離手段が開いた後に前記容器用チャンバ内に挿入され、成膜完了後に前記発熱体保護用チャンバに戻されることを特徴とする請求項６記載の薄膜の成膜装置。
8. 前記真空隔離手段は、成膜完了後に前記発熱体が前記発熱体保護用チャンバに戻された後に、閉じることを特徴とする請求項７記載の薄膜の成膜装置。
9. 前記相対移動手段は、前記容器を前記容器用チャンバと前記発熱体保護用チャンバとの間で移動させるように設けられ、それにより、前記発熱体保護用チャンバが前記容器の成膜を行うための成膜用チャンバとして設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の薄膜の成膜装置。
10. 前記真空隔離手段が開いた後に前記容器が前記発熱体保護用チャンバ内に挿入され、成膜完了後に前記容器が前記容器用チャンバに戻されることを特徴とする請求項９記載の薄膜の成膜装置。
11. 前記真空隔離手段は、成膜完了後に前記容器が前記容器用チャンバに戻された後に、閉じることを特徴とする請求項１０記載の薄膜の成膜装置。
12. 前記容器用チャンバは、該容器用チャンバに容器を出し入れするための開閉ゲートを備えていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項記載の薄膜の成膜装置。
13. 未処理の容器を所定位置から前記容器用チャンバに移送するとともに処理済の容器を前記容器用チャンバから所定位置に移送する容器移送装置を備えたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項記載の薄膜の成膜装置。
14. 前記所定位置は、コンベア上の位置であることを特徴とする請求項１３記載の薄膜の成膜装置。
15. 発熱体を用いて真空状態で容器の表面に成膜を行うための真空チャンバが、前記容器を出し入れするための容器用チャンバと、前記発熱体を真空状態で保持するための発熱体保護用チャンバとに分割され、前記容器用チャンバと前記発熱体保護用チャンバとの間には、真空隔離手段が設けられた成膜装置を用いて前記容器の表面に成膜する薄膜の成膜方法であって、
    前記発熱体保護用チャンバが真空状態にあるときに前記真空隔離手段を閉じて前記発熱体保護用チャンバの真空状態を維持しつつ、前記容器用チャンバに対して前記容器を出し入れする手順と、
    前記容器用チャンバが真空引きされているときに前記真空隔離手段を開いて前記容器用チャンバと前記発熱体保護用チャンバとを連通させる手順と、
    前記真空隔離手段が開いた後に前記容器と前記発熱体とを相対的に移動させて成膜を行う手順と、を備えた薄膜の成膜方法。

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