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物理蒸着装置 新技術説明会

国内特許コード P07A010444
掲載日 2007年9月14日
出願番号 特願2004-300122
公開番号 特開2006-111921
登録番号 特許第4828108号
出願日 平成16年10月14日(2004.10.14)
公開日 平成18年4月27日(2006.4.27)
登録日 平成23年9月22日(2011.9.22)
発明者
  • 湯本 敦史
  • 丹羽 直毅
  • 廣木 富士男
  • 塩田 一路
  • 山本 剛久
出願人
  • タマティーエルオー株式会社
発明の名称 物理蒸着装置 新技術説明会
発明の概要

【課題】超高真空環境でもアウトガスを発生させない非移行型のプラズマトーチを用いて生成させた微粒子を超音速のガス流により加速させ、基板に堆積させた微粒子により皮膜形成する物理蒸着装置を提供する。
【解決手段】内部にプラズマトーチ(16,26)と蒸発源(15,25)を有する蒸発チャンバー(10,20)と、超音速ノズル35と成膜対象基板33を有する成膜チャンバー30を有し、各プラズマトーチは、略円筒形の導電性のアノード40と、その内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管50と、絶縁管50の内側に挿入された棒状のカソード60を有する。アノード40とカソード60に電圧印加して得たプラズマで蒸発源(15,25)から微粒子を生成し、超音速ノズル35から噴出して超音速ガス流に乗せ、成膜対象基板33に物理蒸着させる。
【選択図】図1

従来技術、競合技術の概要


近年、コーティング技術の重要性が急速に高まってきており、種々のコーティング法が開発されている。
しかし、数10~数100μm程度の膜厚の高密度なコーティング膜を低温で施工することが可能なコーティング法は知られていなかった。



非特許文献1および非特許文献2は、超音速フリージェット(Supersonic Free Jet:SFJ)物理蒸着(Physical Vapor Deposition:PVD)装置について開示している。
このSFJ-PVD装置は、蒸発チャンバーと成膜チャンバーを備える。
蒸発チャンバー内には、水冷されたハース上に設置した蒸発源材料と、高融点金属(具体的にはタングステン)製の電極が備えられており、一度蒸発チャンバー内を所定の圧力に減圧した後、所定のガス雰囲気に置換して、蒸発源をアノード(陽極)とし、アノードと一定間隔離れた位置にある高電導性金属製電極をカソード(陰極)とし、それぞれ負電圧と正電圧を印加して両極間にアーク放電を生起させる移行式アークプラズマによって、蒸発源材料が加熱されて蒸発する。所定のガス雰囲気とした蒸発チャンバー内では、蒸発源の加熱により蒸発した原子は互いに凝集しナノメートルオーダーの直径の微粒子(以下ナノ粒子と称する)が得られる。



得られたナノ粒子は蒸発チャンバーと成膜チャンバー間の差圧(真空度差)により生起するガス流に乗って移送管を通して成膜チャンバーへと移送される。成膜チャンバー内には、成膜対象基板が設置されている。
差圧によるガス流は、蒸発チャンバーから成膜チャンバーへと接続する移送管の先端に取り付けられた特別に設計された超音速ノズル(ラバールノズル)によりマッハ数3.6程度の超音速にまで加速され、ナノ粒子は超音速フリージェットの気流に乗って高速に加速されて成膜チャンバー中に噴出し、成膜対象基板上に堆積する。



上記のSFJ-PVD装置を用いることにより、数10~数100μm程度の膜厚の高密度なコーティング膜を低温で施工することが可能となっている。



プラズマトーチは、大きく移行型と非移行型に分類できる。
図11(A)および(B)は、それぞれ従来例に係る移行型(transfer type)と非移行型(non-transfer type)のプラズマトーチの模式構成図である。
図11(A)に示すように、移行型のプラズマトーチは、略円筒形のプラズマチップ1の内側の中心部に、陰極となる棒状の内部電極3が挿入されて組み立てられている。被加熱物Sに正電圧、内部電極3に負電圧を印加することにより、被加熱物Sと内部電極3との間での放電により生起するアークプラズマにより被加熱物Sを加熱する。



一方、図11(B)に示すように、非移行型のプラズマトーチは、略円筒形のプラズマチップ1の内側の中心部に内部電極3が挿入されており、プラズマチップ1を陽極(アノード)、内部電極3を陰極(カソード)として両極間にアーク放電を生起させ、両極間にプラズマガスGを供給し、プラズマ化したガスを媒体として被加熱物Sを加熱する。



移行型のプラズマトーチは、被加熱物に電流が流れてジュール熱を発生させるので、エネルギー効率が高いという利点があるが、プラズマを発生させ、被加熱物が溶けて導電性を持つまでプラズマを保持するための電極が必要であり、絶縁物を加熱、溶解するのに適していない。また、アーク放電時におけるアーク電圧を一定に保つためには両極間の距離を一定に保つ必要がある。しかし、陽極側である被加熱物は溶融および蒸発によりその形状および体積が逐次変わるため、被加熱物からの蒸発量を精密に制御する事は容易では無い。
一方、非移行型のプラズマトーチは、被加熱物に電流は流れないので、被加熱物の材質に影響されずにプラズマを発生させることができ、プラズマの始動性および安定性が高く、移行型のプラズマトーチによる加熱に比べ加熱量の制御性が良いという利点がある。



ところで、非移行型のプラズマトーチはトーチ内に陽極(プラズマチップ)と陰極(内部電極)の2つの電極を有しており、これらは互いに絶縁される必要がある。このため、従来の非移行型プラズマトーチでは、上記の両電極間の絶縁を確保するためにベークライトなどの高分子系絶縁材料を用いている。
上記の高分子系絶縁材料およびその他のトーチ構成材料のために、従来の非移行型のプラズマトーチを超高真空環境で使用するとアウトガスが発生してしまう。
このため、SFJ-PVD装置において、プラズマトーチで生成したプラズマにより蒸発源からナノ粒子を生成するような場合、得られたナノ粒子をアウトガスで汚染してしまうことになる。



さらに、複数の蒸発チャンバーを有する場合、例えば第1微粒子と第2微粒子を均一に混合することが必要である。この場合、第1微粒子を含む第1流体と、第微粒子を含む第2流体を混合することになる。
例えば、図12に示すY字型流体混合装置を用いて、上記の第1および第2の流体の混合を行うことができる。
Y字型流体混合装置は、第1流体100が流される第1流入口101と第2流体110が流される第2流入口111が合流部120で合流して混合し、第1流体100と第2流体110の混合物が取り出し口130からから取り出される構成である。



上記のY字型流体混合装置において、第1流体と第2流体をそれぞれ同時に流入させても、流体の粘性などの影響で、合流部において混合しないで実質的に分離したままで取り出し口から出てきてしまい、均一に混合させることが困難なことがある。
ここで、第1流体と第2流体をより均一に混合するために、外部からの電気エネルギーを用いて、第1流体と第2流体の取り出し口への流入を機械的に制御する。より具体的には、図12に示すように、第1流体と第2流体が交互に取り出し口に流入するようにする。この交互に流入させる流体の量をより少なくすることにより、第1流体と第2流体をより均一に混合することが可能となる。



ここで、上記のような第1流体および第2流体の混合を行うのに、従来のY字型混合装置のように外部からの電気などのエネルギーを必要とせず、機械的な可動部を持たないで流体を混合する方法が求められている。

【非特許文献1】A. Yumoto, F. Hiroki, I. Shiota, N. Niwa, Surface and Coatings Technology, 169-170, 2003, 499-503

【非特許文献2】湯本敦史、廣木富士男、塩田一路、丹羽直毅:超音速フリージェットPVDによるTiおよびAl膜の形成、日本金属学会誌、第65巻、第7号(2001)pp635-643

【非特許文献3】山本圭治郎、野本明、川島忠雄、中土宣明:同軸対向衝突噴流の発振現象、油圧と空気圧(1975)pp68-77

産業上の利用分野


本発明は物理蒸着装置に関し、特に蒸発源から蒸発させた原子により生成させた微粒子を超音速ジェットに乗せて噴き出し、成膜対象基板に堆積させる物理蒸着装置に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
内部に蒸発源とプラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記プラズマトーチで発生させたプラズマにより前記蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する蒸発チャンバーと、
内部に前記蒸発チャンバーから前記微粒子を含むガスの搬送する経路となる移送管に接続された超音速ノズルと成膜対象基板を備え、前記蒸発チャンバーから移送された前記微粒子を前記超音速ノズルが生み出す超音速ガス流に乗せ、前記成膜対象基板に前記微粒子を物理蒸着させる成膜チャンバーと
を有し、
前記プラズマトーチは、
略円筒形の導電性のアノードと、
前記アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、
前記アノードに接しないように、前記絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードと
を有し、
前記超音速ノズルおよび前記移送管の少なくとも一部が石英からなり、
前記超音速ノズルおよび/または前記移送管の内部を通過する前記微粒子を含むガスをプラズマ化するためのRFコイルが前記超音速ノズルおよび/または前記移送管の外周に設けられ、
前記カソードに負電圧を、前記アノードおよび/または前記蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成する
物理蒸着装置。

【請求項2】
前記超音速ノズルは、ノズル内部径が変化している縮小―拡大管であり、前記蒸発チャンバーと前記成膜チャンバー間の差圧により生起するガス流を超音速まで高める
請求項1に記載の物理蒸着装置。

【請求項3】
前記超音速ノズルは、マッハ数1.2以上の超音速ガス流を生み出す
請求項2に記載の物理蒸着装置。

【請求項4】
前記超音速ノズルは、1次元もしくは2次元の圧縮性流体力学理論を基にガスの種類と組成および前記成膜チャンバーの排気能力に応じて設計されており、前記移送管の先端に接続され、あるいは前記移送管の先端部分と一体に形成されている
請求項1に記載の物理蒸着装置。

【請求項5】
前記超音速ノズルおよび/または前記移送管の内部を通過する前記微粒子を含むガスを加熱するための加熱手段が前記超音速ノズルおよび/または前記移送管自体にあるいは前記超音速ノズルおよび/または前記移送管の外周に設けられている
請求項1に記載の物理蒸着装置。

【請求項6】
前記プラズマトーチにおいて、前記カソードの先端近傍で、前記アノードと前記カソードの間に、前記アノードと前記カソードの相対位置を位置決めし、前記カソードに対して供給されるプラズマガスを均等に行き渡らせるセラミクスのプラズマガスディストリビュータが設けられている
請求項1に記載の物理蒸着装置。

【請求項7】
前記絶縁管が、石英、マシナブルセラミクス、ボロンナイトライド、アルミナあるいはフッ素系樹脂からなる
請求項1に記載の物理蒸着装置。

【請求項8】
前記プラズマトーチにおいて、前記カソードは、内部構造として、中心に配置された第1中空部と、前記第1中空部の外周に配置された第2中空部と、前記第2中空部の外周に配置された第3中空部とを有する3層構造となっている
請求項1に記載の物理蒸着装置。

【請求項9】
前記プラズマトーチにおいて、前記カソードの前記第1中空部がプラズマガス供給管である
請求項に記載の物理蒸着装置。

【請求項10】
前記プラズマトーチにおいて、
前記カソードの前記第2中空部が冷却媒の導入管であり、
前記カソードの前記第3中空部が前記冷却媒の導出管である
請求項に記載の物理蒸着装置。

【請求項11】
前記プラズマトーチにおいて、前記アノードが冷却管を内蔵している
請求項1に記載の物理蒸着装置。

【請求項12】
前記プラズマトーチにおいて、真空シールとしてVCR継ぎ手および/またはICFフランジが用いられている
請求項1に記載の物理蒸着装置。

【請求項13】
前記プラズマトーチにおいて、前記アノードと前記カソードにそれぞれ正電圧と負電圧を印加してプラズマを形成する方式と、加熱対象である前記蒸発源と前記カソードにそれぞれ正電圧と負電圧を印加してプラズマを形成する方式とで切り替えまたは併用可能である
請求項1に記載の物理蒸着装置。

【請求項14】
内部に蒸発源とプラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記プラズマトーチで発生させたプラズマにより前記蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する蒸発チャンバーと、
内部に前記蒸発チャンバーから前記微粒子を含むガスの搬送する経路となる移送管に接続された超音速ノズルと成膜対象基板を備え、前記蒸発チャンバーから移送された前記微粒子を前記超音速ノズルが生み出す超音速ガス流に乗せ、前記成膜対象基板に前記微粒子を物理蒸着させる成膜チャンバーと
を有し、
前記プラズマトーチは、
略円筒形の導電性のアノードと、
前記アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、
前記アノードに接しないように、前記絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードと、
前記アノードの外周部に配置された保持管と
を有し、
前記保持管は、前記カソードに電気的に接続して前記カソードを機械的に保持する第1保持部材と、前記アノードに電気的に接続して前記カソードを機械的に保持する第2保持部材と、前記第1保持部材および前記第2保持部材を介して前記アノードおよび前記カソードを機械的に保持する第3保持部材とを有し、少なくとも前記第1保持部材と前記第2保持部材の間および前記第2保持部材と前記第3保持部材の間がセラミクスの絶縁部材に溶接によって接合され、前記第1保持部材、前記第2保持部材および前記第3保持部材が互いに絶縁しながら一体化されており、
前記アノード、前記カソードおよび前記保持管の真空シールとしてVCR継ぎ手および/またはICFフランジが用いられており、
前記カソードに負電圧を、前記アノードおよび/または前記蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成する
物理蒸着装置。

【請求項15】
内部に第1蒸発源と第1プラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第1プラズマトーチで発生させたプラズマにより前記第1蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第1微粒子を生成する第1蒸発チャンバーと、
内部に第2蒸発源と第2プラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第2プラズマトーチで発生させたプラズマにより前記第2蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第2微粒子を生成する第2蒸発チャンバーと、
内部に前記蒸発チャンバーから前記微粒子を含むガスの搬送する経路となる移送管に接続された流体混合部および超音速ノズルと成膜対象基板を備え、前記第1蒸発チャンバーから移送された前記第1微粒子と前記第2蒸発チャンバーから移送された前記第2微粒子を前記流体混合部で混合し、混合された前記第1微粒子と前記第2微粒子を前記超音速ノズルが生み出す超音速ガス流に乗せ、前記成膜対象基板に混合された前記第1微粒子と前記第2微粒子を物理蒸着させる成膜チャンバーと
を有し、
前記第1プラズマトーチおよび第2プラズマトーチは、それぞれ、
略円筒形の導電性のアノードと、
前記アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、
前記アノードに接しないように、前記絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードと
を有し、
前記カソードに負電圧を、前記アノードおよび/または前記第1あるいは第2蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成し、
前記流体混合部は、
略矩形形状の第1噴き出し口を有する第1混合ノズルと、
前記第1噴き出し口と同じ形状の第2噴き出し口を有し、前記第1混合ノズルと同軸上に対向して設けられた第2混合ノズルと
前記第1噴き出し口と前記第2噴き出し口の間の空間を挟んで対向するように、前記略矩形形状の長辺方向に配置され、前記第1流体と前記第2流体が前記略矩形形状の長辺方向に拡散していくのを防止する一対の仕切り板と
を有し、
前記第1噴き出し口から前記第1微粒子を含む第1流体を噴き出し、前記第2噴き出し口から前記第2微粒子を含む第2流体を噴き出し、前記第1噴き出し口と前記第2噴き出し口の間の空間において前記第1流体と前記第2流体とを混合する
物理蒸着装置。

【請求項16】
前記流体混合部において、前記略矩形形状の短辺の長さaと長辺の長さbのアスペクト比(b/a)が4~6である
請求項15に記載の物理蒸着装置。

【請求項17】
前記流体混合部において、前記第1混合ノズルと前記第2混合ノズルのノズル間距離が、前記略矩形形状の短辺の長さの4~35倍の距離である
請求項15に記載の物理蒸着装置。

【請求項18】
前記流体混合部において、前記第1混合ノズルは、前記第1噴き出し口の近傍において、前記第1噴き出し口へと向かって前記第1流体が流れる空間の広さが、前記第1噴き出し口に近い下流側よりも前記第1噴き出し口から遠い上流側ほど広いテーパー形状となっている部分を有し、前記第2混合ノズルは、前記第2噴き出し口の近傍において、前記第2噴き出し口へと向かって前記第2流体が流れる空間の広さが、前記第2噴き出し口に近い下流側よりも前記第2噴き出し口から遠い上流側ほど広いテーパー形状となっている部分を有する
請求項15に記載の物理蒸着装置。

【請求項19】
前記流体混合部において、前記一対の仕切り板の間の距離が、前記略矩形形状の長辺の長さと略等しい
請求項15に記載の物理蒸着装置。

【請求項20】
前記第1プラズマトーチおよび/または前記第2プラズマトーチにおいて、前記カソードの先端近傍で、前記アノードと前記カソードの間に、前記アノードと前記カソードの相対位置を位置決めし、前記カソードに対して供給されるプラズマガスを均等に行き渡らせるセラミクスのプラズマガスディストリビュータが設けられている
請求項15に記載の物理蒸着装置。

【請求項21】
前記第1プラズマトーチおよび/または前記第2プラズマトーチにおいて、前記カソードは、内部構造として、中心に配置された第1中空部と、前記第1中空部の外周に配置された第2中空部と、前記第2中空部の外周に配置された第3中空部とを有する3層構造となっている
請求項15に記載の物理蒸着装置。

【請求項22】
前記第1プラズマトーチおよび/または前記第2プラズマトーチにおいて、前記カソードの前記第1中空部がプラズマガス供給管である
請求項21に記載の物理蒸着装置。

【請求項23】
前記第1プラズマトーチおよび/または前記第2プラズマトーチにおいて、前記カソードの前記第2中空部が冷却媒の導入管であり、前記カソードの前記第3中空部が前記冷却媒の導出管である
請求項15に記載の物理蒸着装置。

【請求項24】
前記第1プラズマトーチおよび/または前記第2プラズマトーチにおいて、前記アノードが冷却管を内蔵している
請求項15に記載の物理蒸着装置。

【請求項25】
前記第1プラズマトーチおよび/または前記第2プラズマトーチにおいて、真空シールとしてVCR継ぎ手および/またはICFフランジが用いられている
請求項15に記載の物理蒸着装置。

【請求項26】
前記第1プラズマトーチおよび/または前記第2プラズマトーチにおいて、前記アノードと前記カソードにそれぞれ正電圧と負電圧を印加してプラズマを形成する方式と、加熱対象である前記第1あるいは第2蒸発源と前記カソードにそれぞれ正電圧と負電圧を印加してプラズマを形成する方式とで切り替えまたは併用可能である
請求項15に記載の物理蒸着装置。

【請求項27】
内部に第1蒸発源と第1プラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第1プラズマトーチで発生させたプラズマにより前記第1蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第1微粒子を生成する第1蒸発チャンバーと、
内部に第2蒸発源と第2プラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第2プラズマトーチで発生させたプラズマにより前記第2蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第2微粒子を生成する第2蒸発チャンバーと、
内部に前記蒸発チャンバーから前記微粒子を含むガスの搬送する経路となる移送管に接続された流体混合部および超音速ノズルと成膜対象基板を備え、前記第1蒸発チャンバーから移送された前記第1微粒子と前記第2蒸発チャンバーから移送された前記第2微粒子を前記流体混合部で混合し、混合された前記第1微粒子と前記第2微粒子を前記超音速ノズルが生み出す超音速ガス流に乗せ、前記成膜対象基板に混合された前記第1微粒子と前記第2微粒子を物理蒸着させる成膜チャンバーと
を有し、
前記第1プラズマトーチおよび前記第2プラズマトーチは、それぞれ、
略円筒形の導電性のアノードと、
前記アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、
前記アノードに接しないように、前記絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードと、
前記アノードの外周部に配置された保持管と
を有し、
前記保持管は、前記カソードに電気的に接続して前記カソードを機械的に保持する第1保持部材と、前記アノードに電気的に接続して前記カソードを機械的に保持する第2保持部材と、前記第1保持部材および前記第2保持部材を介して前記アノードおよび前記カソードを機械的に保持する第3保持部材とを有し、少なくとも前記第1保持部材と前記第2保持部材の間および前記第2保持部材と前記第3保持部材の間がセラミクスの絶縁部材に溶接によって接合され、前記第1保持部材、前記第2保持部材および前記第3保持部材が互いに絶縁しながら一体化されており、
前記アノード、前記カソードおよび前記保持管の真空シールとしてVCR継ぎ手および/またはICFフランジが用いられており、
前記カソードに負電圧を、前記アノードおよび/または前記第1あるいは第2蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成し、
前記流体混合部は、
略矩形形状の第1噴き出し口を有する第1混合ノズルと、
前記第1噴き出し口と同じ形状の第2噴き出し口を有し、前記第1混合ノズルと同軸上に対向して設けられた第2混合ノズルと
を有し、
第1噴き出し口から前記第1微粒子を含む第1流体を噴き出し、前記第2噴き出し口から前記第2微粒子を含む第2流体を噴き出し、前記第1噴き出し口と前記第2噴き出し口の間の空間において前記第1流体と前記第2流体とを混合する
物理蒸着装置。
産業区分
  • 表面処理
  • 高分子化合物
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2004300122thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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