JP6625656B2 - 成膜装置 - Google Patents
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Description
ガスバリア性の膜(以下、バリア膜と称す)としては、特許文献1、特許文献2に記載されるように、DLC(Diamond Like Carbon)のような硬質の炭素膜、シリカ(SiO2)膜など、種々のものが提案されている。
プラズマCVD法の他のCVD法として、特許文献2,3に記載される触媒化学気相成長法(Catalytic Chemical Vapor Deposition:Cat−CVD)も知られている。Cat−CVD法は、成膜室内で通電加熱した線状の発熱体又は触媒体の表面において媒質ガスを分解し、生成した化学種を直接又は気相中で反応過程を経た後に、堆積させて膜を形成する。Cat−CVD法は、発熱体CVD法、ホットワイヤーCVD法とも称される。
ゴム、合成樹脂などの可撓性の材料からなるガス供給管は、この進退移動に対応することができる。しかし、このガス供給管は微小ではあるが通気性を有しているために、媒質ガスがガス供給管の外部に漏れてしまい、そうすると、必要な媒質ガスを発熱体に供給できなくなるおそれがある。
そこで本発明は、真空チャンバに挿入されたときに、媒質ガスを漏れなく発熱体に向けて供給できるガス供給管を備える成膜装置を提供することを目的とする。
本発明におけるシリンダは、外部から媒質ガスが供給される給気口を有し、ガス供給管は、成膜が行われる成膜位置と成膜が行われない待機位置の間を昇降し、成膜位置において、シリンダの給気口と第一ガス流路の間を連通する第二ガス流路を備える、ことを特徴とする。
このシールが、第一シールリングと、第一シールリングと軸線方向に間隔を空けて設けられる第二シールリングと、第一シールリングと第二シールリングの間に設けられ、第一シールリング及び第二シールリングよりも小径なスペーサと、を備える場合には、第二ガス流路を、スペーサに設けることができる。
図1に示す本実施形態による成膜装置1は、Cat−CVD法により樹脂製の容器Pの内表面にガスバリア性膜を形成するものであり、発熱ユニット30の酸化を防止する構成を備えている。
成膜装置1は、例えば飲料水を容器Pに充填するシステムに適用されるものである。このシステムは、一例として、容器Pを成形する容器成形部と、成形された容器Pの内周面にバリア膜を形成する成膜部と、内周面にバリア膜が形成された容器Pの充填空隙に飲料水を充填する充填部と、飲料水が充填された樹脂容器にキャップをする打栓部と、を備えることができる。この飲料充填システムは、容器成形部、成膜部、充填部及び打栓部の各々の要素がロータリー式の機構からなり、各要素の間には、容器Pを受け渡すための転送装置を設けることができる。ただし、成膜装置1をバッチ式とすることもできる。
成膜部3は、真空チャンバ10を主たる構成要素として備える。また、ガス搬送部5は、容器Pの内部に挿抜可能に配置され、容器Pの内部へ媒質ガスを供給するガス供給管20と、ガス供給管20を収容するシリンダ40と、を主たる構成要素として備えている。
[真空チャンバ10]
成膜部3に設けられる真空チャンバ10は、軸方向の一方端(上端)が開口された円筒状の下部チャンバ15と、この下部チャンバ15の上部に下部チャンバ15と互いに着脱自在に装着される上部チャンバ13と、を備える。真空チャンバ10は、下部チャンバ15と上部チャンバ13により形成される内部空間が、容器Pを収容し、かつバリア膜を形成する成膜室11を構成する。
本実施形態においては、容器Pが下部チャンバ15に収容され、容器Pは下部チャンバ15の上方端に形成される開口を出入口として下部チャンバ15に搬入され、また、搬出される。したがって、下部チャンバ15の内部空間は、そこに収容される容器Pの外形よりも僅かに大きくなるように形成されている。上部チャンバ13は、容器Pが下部チャンバ15に搬入されると出入口を閉じ、また、容器Pが下部チャンバ15に搬入される時及び搬出される時には出入口を開く。なお、本実施形態においては、上部チャンバ13の鉛直方向(図1の上下方向)の位置が固定される一方、下部チャンバ15が図示を省略するアクチュエータにより両矢印に示すように昇降移動するものとするが、この逆であってもよく、下部チャンバ15と上部チャンバ13が相対的に移動することにより、成膜室11の密閉及び開放がなされればよい。なお、下部チャンバ15と上部チャンバ13の間の密閉状態を確保するために、両者の間にOリングなどのシール材を設けることができる。
上部チャンバ13は、ガス供給管20及び発熱ユニット30が進退する通過窓17が、上部チャンバ13の上壁を貫通して設けられている。通過窓17には、シリンダ40の先端部が成膜室11に達するように挿入され、上部チャンバ13に固定されている。ガス供給管20及び発熱ユニット30は、シリンダ40の内部を通って通過窓17を進退する。
なお、真空チャンバ10の内部には、容器Pを把持するグリッパとも称される器具を設け、このグリッパで容器Pの首部分を把持しながら、バリア膜を成膜できる。
また、真空チャンバ10は、下部チャンバ15と上部チャンバ13の成膜室11に臨む内表面には、発熱ユニット30の発熱に伴って放射される光の反射を防ぐ処理が施されていることが好ましい。この処理としては、たとえば、内表面を黒色に着色することや、微細な凹凸面にすることが考えられる。これにより、容器Pの温度上昇を抑制することができる。
なお、所定の耐熱性、耐食性などの性質を備えている限り、真空チャンバ10を構成する材料は任意であり、好適にはアルミニウム合金を用いることができる。
次に、ガス搬送部5を構成するガス供給管20は、原料タンク29に貯留される媒質ガスGを、真空チャンバ10の成膜室11に導く。ガス供給管20は、バリア膜の成膜時の成膜位置P1(図1(b))と成膜を行わない待機時の待機位置P2(図1(a))の間を、図示を省略するアクチュエータにより軸線方向に沿って昇降移動が可能に支持されている。
管本体21は、他端側(上端側)がシール23に接続されており、シリンダ40を介して供給される媒質ガスは、シール23を通って管本体21に流入する。
シール23は、上側に配置される第一シールリング24と、第一シールリング24の下側に間隔をあけて配置される第二シールリング25と、第一シールリング24と第二シールリング25の間に配置されるスペーサ26と、を備えている。第一シールリング24と第二シールリング25は、シリンダ40の内周面に密着して封止できる同じ材質、寸法を有する円板状の部材である。スペーサ26は、第一シールリング24及び第二シールリング25よりも小径の円板状の部材であり、その内部にT字状の第二ガス流路27が形成されている。この第二ガス流路27は、一端がスペーサ26の外周面に開口し、他端がスペーサ26の下端面に開口して管本体21の第一ガス流路22に連通している。
後述する発熱ユニット30は、第二シールリング25に支持されている。なお、スペーサ26の周囲の空隙も、本発明における第二ガス流路の一部を構成する。
次に、発熱ユニット30は、図示を省略する電源から電力の供給を受けて発熱することにより、ガス供給管20から容器Pの内部に供給される媒質ガスの分解を促進する。
発熱ユニット30は、発熱体31と、発熱体31に先端側(図1の下端)が電気的に接続される一対のリード32と、を備えており、リード32の後端側が第二シールリング25に支持されることにより、ガス供給管20の昇降に追従して昇降する。発熱体31とリード32は、ガス供給管20が成膜位置P1に達したときに、容器Pの内部の全体を発熱体31が占めるように、それぞれの長さが設定されるのが好ましい。
発熱ユニット30は、成膜に必要な発熱を担うのは発熱体31の部分であり、リード32は電源からの電力を発熱体31に向けて流す電線として機能するに留まる。つまり、発熱ユニット30は、発熱体31の部分だけを選択的に発熱させることができる。発熱体31の下端部は、供給される媒質ガスGとの接触機会を増やすために、コイル状に形成することができる。
発熱体31は、ノズル28の近傍で折り返すU字状の形態をなしているので、ガス供給管20から供給される媒質ガスGがこの折り返し部分に漏れなく吹き付けられる。
リード32は、電気抵抗の小さい材質、例えば銅、アルミニウム、これらの合金などをから構成される。
なお、本実施形態では、発熱ユニット30として通電により加熱されるものとしたが、媒質ガスGを分解できる限り、本発明における発熱体の発熱方法は通電加熱に限定されるものではない。
シリンダ40は、図1に示すように、通過窓17に下端が挿入されることで上部チャンバ13に立設した状態で固定される。
シリンダ40は、シリンダ本体41と、シリンダ本体41の内部に設けられる減圧室43と、を備える。前述したように、シリンダ本体41は上部チャンバ13の通過窓17を貫通しており、ガス供給管20の管本体21が減圧室43を昇降することで、管本体21が成膜室11に対して進退される。減圧室43は、シール23よりも下方の領域を占め、管本体21の昇降に伴って、減圧室43はその容積が連続的に変化する。このとき、シリンダ本体41は、ガス供給管20の昇降移動をガイドする機能も果たす。
減圧室43の容積は、ガス供給管20が成膜位置P1にあるときに最も小さく(図1(b))、ガス供給管20が待機位置P2に(図1(a))あるときには最も大きくなる。
一方、ガス供給管20が成膜位置P1以外の位置にあるときには、図2(b)に示すように、シリンダ40の給気口47は、シール23の第二シールリング25よりも下方に位置する。したがって、原料タンク29から供給される媒質ガスGは、配管49、給気口47を順に通って、管本体21とのシリンダ本体41の間の隙間に流入する。このとき、第二ガス流路27は閉じられることになる。
次に、成膜装置1を用いて容器Pにバリア膜を形成する一連の手順の一例を、図3〜図5をも参照して説明する。なお、図3〜図5には、成膜装置1の一部の要素の記載を省略している。
[容器供給工程(図3(a),図6 S101)]
上工程で成形された容器Pが成膜装置1に搬送されると、上部チャンバ13から十分に退避した位置で待機した下部チャンバ15の成膜室11に容器Pが収容された後に、下部チャンバ15が上部チャンバ13に突き合せられ、成膜室11が外部に対して気密に保持される。
このときには、ガス供給管20は、真空チャンバ10から退避した待機位置P2に置かれており、減圧室43は最も広い状態とされている。また、遮蔽ゲート18はシリンダ40の開口を閉じており、減圧室43は排気口45を除いて閉じた空間をなしている。
また、このときには、図示を省略する排気ポンプにより、減圧室43を通じてガス供給管20(第一ガス流路22)は真空引きVacされている。この真空引きVacは次の工程まで継続される。
次に、図示を省略する排気ポンプを動作させ、成膜室11及び減圧室43を真空引きVacして成膜に備える。減圧室43の真空引きVacと同時に、原料タンク29に貯えられている媒質ガスGを減圧室43に向けて供給する。供給された媒質ガスGは、配管49及び給気口47を順に通過して、管本体21とシリンダ本体41の間の減圧室43に達する。シリンダ本体41の先端は遮蔽ゲート18により閉じられているので、供給された媒質ガスGは減圧室43に含まれていた空気を押し出すようにして系外に排出される。継続的にこの真空引きと媒質ガスGの供給を並行して行うことにより、減圧室43の内部は媒質ガスGにより掃気され、空気の残存を極めて低くできる。
真空引きと媒質ガスGの供給を所定時間だけ並行して行った後に、遮蔽ゲート18を開くと同時に、ガス供給管20の下降を開始する。ガス供給管20の下降は、成膜位置P1(図3(a))に達するまで行われる。また、遮蔽ゲート18を開くと同時に、シリンダ本体41からの真空引きを止める一方、成膜室11の真空引きVacは継続する。この時点でも、媒質ガスGの供給は継続される。遮蔽ゲート18を開くので、真空チャンバ10には減圧室43に充填されていた媒質ガスGが流入する。
成膜室11の内部が所望する真空度に達するまで、排気ポンプによる排気は続けられる。このときの真空度は、10−1〜10−5Torr程度である。
なお、シリンダ40の減圧室43の排気は、真空引き工程よりも前の給びん工程又は真空チャンバ閉工程において行ってもよい。このときの真空度は、上記した成膜室11の真空度と同様に10−1〜10−5Torr程度とされる。
成膜位置P1に達するまでガス供給管20を下降し、かつ、成膜室11が所望する真空度に達すると、図示を省略する電源から電力を供給して発熱ユニット30の発熱体31を発熱させる。
発熱ユニット30に電力を供給することにより、成膜装置1は待機時又は待機状態から成膜時又は成膜状態に移行する。シリンダ本体41の給気口47にシール23のスペーサ26が位置合わせされるので、原料タンク29から供給される媒質ガスGは給気口47、スペーサ26の第二ガス流路27及び管本体21の第一ガス流路22を順に通って、容器Pの内部に吹き込まれる。吹き込まれる媒質ガスGは、発熱体31を通過する際に発熱体31に接触するので、媒質ガスGが分解して化学種が生成され、容器Pの内表面に化学種を到達させることによってバリア膜が形成される。成膜が行われている間、真空引きVacは継続される。
所定の成膜動作が完了したならば、発熱ユニット30への電力の供給を止める。ただし、媒質ガスGの供給と排気ポンプの動作(Vac)は継続される。媒質ガスGの供給を続けることにより、成膜後にも媒質ガスGが発熱体31に吹き付けられることにより、発熱体31が空気に触れるのを防止できる。
発熱ユニット30への電力の供給を止めることにより、成膜が完了し、成膜装置1は成膜時又は成膜状態から待機時又は待機状態に移行する。
成膜完了後に、ガス供給管20をさらに退避させ、待機位置P2に達したならば、遮蔽ゲート18を閉じる。シール23とシリンダ本体41の内壁面が互いに密着されているので、シリンダ40の減圧室43は閉じた空間になる。
媒質ガスGの供給及び成膜室11の真空引きVacはこの時点でも継続する。
遮蔽ゲート18を閉じたならば、真空チャンバ10の成膜室11を大気に開放する。
成膜室11の真空引きVacは、大気開放Airをする前に止めるが、媒質ガスGの供給は継続して行われる。ただし、減圧室43の圧力上昇を回避するために、ガス供給管20の管本体21の真空引きVacを行う。
下部チャンバ15を必要な位置まで下降させてから、バリア膜が形成された容器Pは、下工程に向けて適宜の搬送手段で移送され、成膜装置1は、次の処理対象である容器Pが移送されてくるまで、待機状態となる。待機状態において、減圧室43は真空引きVacが継続される。
次に、成膜装置1が奏する効果を説明する。
ここで、成膜装置1は、管本体21が成膜室11を進退するために相当のストロークだけ昇降する。位置が固定される原料タンク29を用いる場合、原料タンク29から管本体21に繋がるガスの供給径路には、この昇降を吸収する部位が必要になる。樹脂などの可撓性の素材からなる管を螺旋状に巻き回した配管を管本体21と原料タンク29の間に用いれば、昇降を吸収することができる。しかし、管本体21は、真空引きされる減圧室43に配置されるので、管本体21に接続される可撓性の配管は、少なくとも一部が真空引きされる減圧室43に置かれることになる。可撓性素材は通気性を有するので、特に真空引きの環境においては、媒質ガスGは配管の外部に漏れ出ることになる。これでは、容器Pの内部への媒質ガスGの供給を満足に行えなくなる。そこで、本実施形態は、可撓性素材を用いることなく、昇降を吸収する構造を採用した。
つまり、バリア膜を成膜した後に真空チャンバ10を大気に開放すると、ガス供給管20や真空チャンバ10内に付着したバリア膜と同等の成分の表面から微小な剥離片であるパーティクルが生じ、第一ガス流路22に侵入して閉塞し得る。また、媒質ガスGが大気中の酸素や水分と反応して化合物を生成し得る場合には、この化合物が上記のパーティクルと同様に、ガス流路を閉塞させる要因となる。
ところが、成膜装置1によれば、待機時に第一ガス流路22が真空引きされているので、パーティクル、化合物が第一ガス流路22に侵入しない。
以上の通りであり、成膜装置1によれば、バリア膜の成膜に必要なガス供給管20を健全な状態に維持することができる。したがって、成膜装置1によれば、ガス供給管20の閉塞に対するメンテナンスの頻度が低くなり、長期間に亘る連続運転を保障できる。
発熱ユニット30は、バリア膜の成膜中に1000℃を超える高温になるので、成膜を終えて通電を停止したとしても、相当の高温を維持してしまう。したがって、この高温状態の発熱ユニット30が大気に触れると、発熱ユニット30の表面近傍が大気中の主に窒素、酸素と反応して、本来の機能を失う破損の状態に到るおそれがある。
ところが、成膜装置1によれば、成膜の後に、発熱ユニット30はガス供給管20とともに真空排気されている減圧室43に収容されるので、窒素、酸素などとの反応が抑制され、健全な状態に維持することができる。したがって、成膜装置1によれば、発熱ユニット30に対するメンテナンスの頻度が低くなり、長期間に亘る連続運転を保障できる。
また、給気口47と第一ガス流路22の間が連通される位置は成膜位置P1だけに限るものでない。つまり、本発明は、少なくとも成膜位置P1において給気口47と第一ガス流路22の間が連通されればよく、その前後においても給気口47と第一ガス流路22の間が連通していても構わない。
炭素膜として、具体的には非晶質カーボン膜があり、これは、ダイヤモンド成分(炭素原子の結合がSP3結合)とグラファイト成分(炭素原子の結合がSP2結合)、ポリマー成分(炭素原子の結合がSP1結合)が混在した非晶質状の構造を有する炭素膜のことである。非晶質カーボン膜は、それぞれの炭素原子の結合成分の存在比率の変化により硬度が変化し、硬質の炭素膜及び軟質の炭素膜を含むものをいう。また、水素が含まれる水素化非晶質カーボンも含まれる。さらに、硬質の炭素膜には、SP3結合を主体にした非晶質なDLC膜も含まれる。
また、他のバリア膜としては、SiOx膜、AlOx膜、水素含有SiNx膜、水素含有DLC膜、水素含有SiOx膜、水素含有SiCxNy膜などを用いることができる。
3 成膜部
5 ガス搬送部
10 真空チャンバ
11 成膜室
13 上部チャンバ
14 出入口
15 下部チャンバ
16 排気通路
17 通過窓
18 遮蔽ゲート
20 ガス供給管
21 管本体
22 第一ガス流路
23 シール
24 第一シールリング
25 第二シールリング
26 スペーサ
27 第二ガス流路
28 ノズル
29 原料タンク
30 発熱ユニット
31 発熱体
32 リード
40 シリンダ
41 シリンダ本体
43 減圧室
45 排気口
47 給気口
49 配管
G 媒質ガス
P 容器
P1 成膜位置
P2 待機位置
V1 開閉弁
Claims (7)
- ガスバリア性膜が形成される容器を収容する成膜室を有し、前記ガスバリア性膜の成膜時に前記成膜室が真空状態とされるチャンバと、
前記ガスバリア性膜を成膜するのに用いられる媒質ガスを前記容器の内部に導く第一ガス流路を有し、その軸線方向に沿って昇降移動するガス供給管と、
前記ガス供給管がその内部を昇降するシリンダと、
電力が供給されることによって発熱する発熱体と、を備え、
前記シリンダは、
外部から前記媒質ガスが供給される給気口を有し、
前記ガス供給管は、
前記成膜が行われる成膜位置と前記成膜が行われない待機位置の間を昇降し、前記成膜位置において、前記シリンダの前記給気口と前記第一ガス流路の間を連通する第二ガス流路を備え、
前記ガス供給管が前記成膜室から退避すると、前記成膜室と前記第一ガス流路の連通を閉じる遮蔽ゲートを備える、
ことを特徴とする成膜装置。
- 前記第二ガス流路は、
前記ガス供給管に嵌装され、前記シリンダに摺動可能に押し付けられるシールに設けられる、
請求項1に記載の成膜装置。
- 前記シールは、
第一シールリングと、
前記第一シールリングと前記軸線方向に間隔を空けて設けられる第二シールリングと、
前記第一シールリングと前記第二シールリングの間に設けられ、前記第一シールリング及び前記第二シールリングよりも小径なスペーサと、を備え、
前記第二ガス流路は、前記スペーサに設けられる、
請求項2に記載の成膜装置。
- 前記ガス供給管に支持される発熱ユニットを備え、
前記発熱ユニットは、
電力が供給されることにより発熱する前記発熱体と、
前記発熱体に電気的に接続される一対のリードと、を有する、
請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の成膜装置。
- 前記ガス供給管は、
前記ガスバリア性膜の前記成膜を行う前の待機時に、前記成膜室から退避して前記シリンダに収容されるとともに、前記第一ガス流路が真空引きされる、
請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の成膜装置。
- 前記ガスバリア性膜の前記成膜を終えた後に、
所定の期間だけ継続して、前記媒質ガスが前記ガス供給管を介して前記成膜室に供給される、
請求項5に記載の成膜装置。
- 前記ガスバリア性膜の前記成膜を行う前の待機時に、
前記ガス供給管と前記シリンダの間の前記第一ガス流路に、前記給気口を介して前記媒質ガスが供給される、
請求項5又は請求項6に記載の成膜装置。
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