(57)【要約】【課題】合金膜を容易に形成することができる同軸型真空アーク蒸着源及びこれを備えた真空蒸着装置を提供する。【解決手段】本発明に係る同軸型真空アーク蒸着源８は、円筒状の絶縁碍子１４と、絶縁碍子１４の内周部に配置され、２種以上の金属箔８２（８２ａ，８２ｂ）が重ねて巻回されてなる蒸着材料８０と、絶縁碍子１４の外周部に配置されたトリガ電極１３と、トリガ電極１３の周囲に配置された筒状のアノード電極２３とを具備する。これにより、２種以上の金属の合金インゴットの作製が不要となる。また、合金化が困難な材料の合金膜の形成が可能となる。さらに、３種以上の金属箔を用いることで、３元系以上の合金膜をも容易に形成することが可能となる。【選択図】図２
2010018871.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の絶縁部材と、
前記絶縁部材の内周部に配置され、２種以上の金属箔が重ねて巻回されてなる蒸着材料と、
前記絶縁部材の外周部に配置されたトリガ電極と、
前記トリガ電極の周囲に配置された筒状の電極と
を具備する同軸型真空アーク蒸着源。
【請求項２】
請求項１に記載の同軸型真空アーク蒸着源であって、
前記２種以上の金属箔は、厚みが互いに異なる
同軸型真空アーク蒸着源。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の同軸型真空アーク蒸着源であって、
前記蒸着材料は、前記各金属箔が巻き付けられ、前記各金属箔よりも高融点の材料からなる巻き芯を有する
同軸型真空アーク蒸着源。
【請求項４】
真空槽と、
円筒状の絶縁部材と、
前記絶縁部材の内周部に配置され、２種以上の金属箔が重ねて巻回されてなる蒸着材料と、
前記絶縁部材の外周部に配置されたトリガ電極と、
前記トリガ電極の周囲に配置された筒状の電極と、
前記蒸着材料と前記電極との間の放電を制御する制御ユニットと
を具備する真空蒸着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合金膜を容易に形成することができる同軸型真空アーク蒸着源及びこれを備えた真空蒸着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、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。
【０００３】
特許文献１には、筒状のアノード電極と、上記アノード電極の内部に配置された柱状の蒸着材料と、上記蒸着材料の周囲に配置された筒状の絶縁部材と、上記絶縁部材の周囲に配置された筒状のトリガ電極とを有する同軸型真空アーク蒸着源が開示されている。この同軸型真空アーク蒸着源においては、上記トリガ電極と上記蒸着材料の間で発生させたトリガ放電によって、上記アノード電極内壁面と上記蒸着材料との間にアーク放電を誘起させ、上記蒸着材料から放出された微小粒子を上記アノード電極の開放口から放出させる。放出された蒸着材料の微小粒子は、基板上に堆積して薄膜を形成する。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２９１４２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
さて、従来の同軸型真空アーク蒸着源においては、蒸着膜として２種以上の金属からなる合金膜を形成する場合、当該合金のインゴットで上記蒸着材料を構成していた。しかしながら、合金化された蒸着材料の作製には、多大な費用と時間を要する。また、均質な合金組成を得るには成分金属を完全に固溶させる必要があるので、合金化できる材料に制限がある。
【０００６】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、合金膜を容易に形成することができる同軸型真空アーク蒸着源及びこれを備えた真空蒸着装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る同軸型真空アーク蒸着源は、円筒状の絶縁部材と、前記絶縁部材の内周部に配置され、２種以上の金属箔が重ねて巻回されてなる蒸着材料と、前記絶縁部材の外周部に配置されたトリガ電極と、前記トリガ電極の周囲に配置された筒状の電極とを具備する。
【０００８】
また、本発明に係る真空蒸着装置は、真空槽と、円筒状の絶縁部材と、前記絶縁部材の内周部に配置され、２種以上の金属箔が重ねて巻回されてなる蒸着材料と、前記絶縁部材の外周部に配置されたトリガ電極と、前記トリガ電極の周囲に配置された筒状の電極と、前記蒸着材料と前記電極との間の放電を制御する制御ユニットとを具備する。
【０００９】
本発明において、蒸着材料は、２種以上の金属箔が重ねて巻回された構成を有している。これにより、２種以上の金属の合金インゴットの作製が不要となる。また、合金化が困難な材料の合金膜の形成が可能となる。さらに、３種以上の金属箔を用いることで、３元系以上の合金膜をも容易に形成することが可能となる。
【００１０】
本発明の一実施態様として、前記２種以上の金属箔は、それぞれ同等の厚みを有していてもよいし、互いに異なる厚みを有していてもよい。金属箔の厚みを異ならせることにより、所望の合金組成比で合金膜を形成することが可能となる。
【００１１】
また、本発明の他の実施態様として、前記蒸着材料は、前記各金属箔が巻き付けられ、かつ、前記各金属箔よりも高融点の材料からなる巻き芯を有する構成とすることができる。これにより、金属箔の巻き姿を安定に維持できるとともに、蒸着時における不純物粒子の発生を回避することができる。
【００１２】
なお、上記金属箔は、単一金属元素でなる金属箔に限られず、２種以上の合金箔であってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、本発明によれば、合金膜を容易に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
【００１５】
図１は本発明の実施形態による同軸型真空アーク蒸着源（以下単に「蒸着源」という。）８を備えた真空蒸着装置１の概略構成を示す要部の断面図である。
【００１６】
本実施形態の真空蒸着装置１は、真空槽２の内部天井側に配置されたホルダ３と、真空槽２の内部にホルダ３と対向するように配置された蒸着源８と、蒸着源８における放電を制御する制御ユニット６とを有している。ホルダ３は、成膜対象である基板４を保持するためのものである。なお、ホルダ３の内部には、基板４を所定温度に加熱するための加熱源を内蔵していてもよい。
【００１７】
また、本実施形態の真空蒸着装置１は、ホルダ３と蒸着源８の間にシャッタ部材７を備えている。シャッタ部材７は、ホルダ３と蒸着源８の間を遮蔽する位置からこれらの間を開放する位置へ移動自在に構成されている。
【００１８】
真空槽２の底部には貫通孔が設けられ、この貫通孔を気密に閉塞するように取付フランジ７１が配置されている。取付フランジ７１は、真空槽２の内部に延びる複数本の支柱７２を備えており、これらの支柱７２の先端には蒸着源８が固定されている。
【００１９】
図２は蒸着源８の構成を示しており、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は平面図である。蒸着源８は、円筒状の絶縁部材としての絶縁碍子１４と、絶縁碍子１４の内周部に配置された蒸着材料８０と、絶縁碍子１４の外周部に配置されたトリガ電極１３と、トリガ電極１３の周囲に同心的に配置された筒状電極としてのアノード電極２３とを有している。そして、後述するように、アノード電極２３と蒸着材料８０との間に電圧を印加した状態でトリガ電極１３と蒸着源８０との間にトリガ放電を発生させ、アノード電極２３と蒸着材料８０との間にアーク放電を誘起させると、蒸着材料８０を構成する金属箔８２の構成材料の微粒子が放出される。
【００２０】
本実施形態の蒸着源８は、図２に示すように導電性のベースプレート１９を有し、このベースプレート１９に円筒状のアノード電極２３とカソード部４０が取り付けられている。カソード部４０は、電極部５０と基台部６０からなる。電極部５０は、蒸着材料８０と、蒸着材料８０の周囲に位置する環状のトリガ電極１３と、トリガ電極１３と蒸着材料８０との間、及びトリガ電極１３とカソード電極１２との間に位置する絶縁碍子１４とを有している。また、基台部６０は、カソード電極１２と、スリーブ１６と、スリーブ押え１７とを有している。
【００２１】
アノード電極２３の底部内周面には、円板状のベースプレート１９の周縁部が固定されている。アノード電極２３の上端には開口２５が形成されている。アノード電極２３は、例えば、直径３０ｍｍ、高さ（長さ）６０ｍｍのステンレス製の円筒部材で形成されている。アノード電極２３は、その軸心が、ホルダ３上に保持される蒸着対象物としての基板４の中心部と一致するように配置されている。
【００２２】
カソード電極１２は、ベースプレート１９と絶縁された状態で、ベースプレート１９の上面側に配置されている。カソード電極１２は、例えば銅で形成されている。カソード電極１２は、蒸着材料８０と電気的に接続される電極保持部１２ａと、後述する電源ユニット６と電気的に接続される接続部１２ｂとを有している。
【００２３】
絶縁碍子１４は、円筒状部１４ａとフランジ部１４ｂとから構成されており、その形状からハット型碍子と呼称される。円筒状部１４ａとフランジ部１４ｂは一体的に構成されているが、これらを別部材で形成した後、一体接合することも可能である。本実施形態では、円筒状部１４ａは、純度９９％のアルミナ部材で形成され、フランジ部１４ｂは、純度９６％のアルミナ部材で形成されている。また、円筒状部１４ａの肉厚は、本実施形態では約１ｍｍである。
【００２４】
トリガ電極１３はこのハット型の絶縁碍子１４により、カソード電極１２と蒸着材料８０との両方と絶縁されている。トリガ電極１３の上面は、絶縁碍子１４の円筒状部１４ａの上端面とほぼ同等の高さで形成されている。
【００２５】
蒸着材料８０は、下端部がカソード電極１２と接触している。蒸着材料８０の上端部は絶縁碍子１４の円筒状部１４ａの上端面から突出しているが、これに限られない。
【００２６】
本実施形態において、蒸着材料８０は、軸心の周りに巻回された金属箔の巻回体で構成されている。蒸着材料８０は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、巻き芯８１と、巻き芯８１の周囲に幾重にも巻回された金属箔８２とを有している。また、金属箔８２は、図３に示すように、第１の金属箔８２ａと第２の金属箔８２ｂからなり、これらの金属箔８２ａ，８２ｂが互いに重ね合わされた状態で巻き芯８１に巻き付けられている。
【００２７】
第１、第２の金属箔８２ａ，８２ｂは、蒸着膜を構成する金属材料の箔又はシートでなり、例えば０．１ｍｍ程度の厚さを有している。金属箔８２ａ，８２ｂは、絶縁碍子１４の円筒状部１４ａの内径と同等以上の外径となるまで、巻き芯８１に巻回されている。金属箔８２ａ，８２ｂは、互いに異種の金属材料で構成されており、基板４上に形成するべき合金膜の組成に応じて選択される。
【００２８】
金属箔８２ａ，８２ｂは、目的とする成膜材料に応じて適宜選択可能であり、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、セレン（Ｓｅ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）などを用いることができる。本実施形態では、第１の金属箔８２ａは白金箔、第２の金属箔８２ｂは鉄箔で構成されている。
【００２９】
また、第１の金属箔８２ａの厚みと第２の金属箔８２ｂの厚みは相互に同等であってもよいし、異なっていてもよい。例えば、これら金属箔８２ａ，８２ｂの厚みを相互に異ならせることによって、厚みの比に対応した組成比の合金膜を形成することが可能となる。
【００３０】
なお、以下の説明では、金属箔８２ａ，８２ｂを特に区別して説明する場合を除き、金属箔８２ａ，８２ｂを金属箔８２と総括することがある。
【００３１】
巻き芯８１の構成材料は特に限定されないが、例えば、タングステンやモリブデン、アルミナなど、金属箔８２よりも高融点の金属材料またはセラミック材料で構成することで、不純物の発生を回避することができる。なお、巻き芯８１を金属材料で構成することにより、カソード電極１２との安定した導通を確保することができる。
【００３２】
上述したベースプレート１９には貫通孔が設けられており、この貫通孔には、スリーブ１６が挿通されている。上記貫通孔とスリーブ１６の周囲の隙間には、アルミナなどの絶縁材料からなるリング状の上側スリーブ押え１７ａ及び下側スリーブ押え１７ｂからなるスリーブ押え１７が配置されている。スリーブ１６及び上側スリーブ押え１７ａの上には、上述したカソード電極１２が配置されている。カソード電極１２の接続部１２ｂはスリーブ１６の内部を介してベースプレート１９の裏面側に引き出されている。
【００３３】
一方、トリガ電極１３には、トリガ配線２１の一端が接続されている。トリガ配線２１の一部は絶縁材からなるトリガ配線碍子２２によって被覆されている。上述したベースプレート１９には、その表裏を貫通する小孔が設けられ、トリガ配線碍子２２は、この小孔に挿通されてベースプレート１９の裏面側に引き出されている。
【００３４】
以上のようにして、カソード電極１２、トリガ電極１３及びアノード電極２３は、それぞれ、接続部１２ｂ、トリガ配線２１及びベースプレート１９から、取付フランジ７１に気密に取り付けられた電流導入端子を介して、真空槽２の外部に設置された電源ユニット６に接続されている。
【００３５】
電源ユニット６は、蒸着材料８０とアノード電極２３との間の放電を制御するためのもので、トリガ電源３１と、アーク電源３２と、コンデンサユニット３３とを有している。トリガ電源３１には、トリガ電極１３に、蒸着材料８０に対して例えば３．４ｋＶの正のパルス状の電圧を印加することができるように構成されている。他方、アーク電源３２は、アノード電極２３に、蒸着材料８０に対して例えば１００Ｖの正の直流電圧を印加することができるように構成されている。また、コンデンサユニット３３は例えば１８００μＦの容量を持ち、アーク電源３２によって充電される。放電周波数は、例えば１Ｈｚである。
【００３６】
本実施形態の真空蒸着装置１は以上のように構成される。次に、この真空蒸着装置１の動作について説明する。
【００３７】
まず、真空槽２の内部に基板４を搬入し、成膜面を蒸着源８に対向させてホルダ３上に設置する。その後、真空槽２の内部を所定の高真空雰囲気（例えば、１．３×１０−４Ｐａ以下）に排気する。
【００３８】
この後、必要に応じて、蒸着材料８０をクリーニングする。具体的には、シャッタ部材７を図１に示すようにホルダ３と蒸着源８との間を遮蔽する位置に移動させる。この状態で、蒸着源８の蒸着材料８０とアノード電極２３の間で、例えば５０〜１００回放電させる。これにより、蒸着材料８０の表面に付着している水分や汚れ、油脂が除去される。
【００３９】
次に、基板４を成膜する。具体的には、アーク電源３２により、アノード電極２３に対して、蒸着材料８０に１００Ｖの負の直流電圧を印加しておく。その状態でトリガ電源３１を起動し、トリガ電極１３に３．４ｋＶの正のパルス電圧を印加する。すると、絶縁碍子１４の表面でトリガ放電となる沿面放電（沿面距離約１ｍｍ）が発生する。このトリガ放電によって、蒸着材料８０の金属箔８２の表面が蒸発する。
【００４０】
金属箔８２の蒸発粒子によってアノード電極２３内の圧力が上昇し、アノード電極２３と蒸着材料８０との間の絶縁耐圧が低下すると、コンデンサユニット３３に充電された電荷によって、蒸着材料８０とアノード電極２３との間でアーク放電が発生する。このとき、蒸着材料８０に多量の電流が流入し、ジュール熱により金属箔８２ａ，８２ｂの表面が溶融及び蒸発し、さらには蒸発粒子のプラズマが形成される。
【００４１】
この際、蒸着材料８０には、約２００μｓの間に約３０００〜４０００Ａ（アンペア）の多量の電流が流れる。その結果、蒸着材料８０を中心とする同心円上にアンペールの法則に従って磁場が形成されることで、プラズマ中の電子がローレンツ力を受け、基板４に向かって飛行する。そして、プラズマ中の金属箔８２の金属イオン（白金イオン及び鉄イオン）も電子のクーロン力を受けてアノード電極２３の開口２５から真空槽２内に放出され、蒸着源８に対向して配置された基板４の表面に到達する。以上のようにして、基板４の表面に金属箔８２ａの白金微粒子及び金属箔８２ｂの鉄微粒子が堆積して白金と鉄の合金薄膜が形成される。
【００４２】
本実施形態において、蒸着材料８０は、２種の金属箔８２ａ，８２ｂが重ねて巻回された構成を有している。これにより、蒸着材料として用いるための合金インゴットの作製が不要となる。このため、合金化が困難な材料の合金膜も容易に形成することが可能となる。
【００４３】
一方、本実施形態によれば、金属箔８２ａ，８２ｂの厚みの比を調整することによって、所望の組成比からなる合金膜を容易に形成することができる。例えば、金属箔８２ａ，８２ｂの厚みの比を１：１にしたとき、５０％Ｐｔ−５０％Ｆｅの合金膜が得られ、金属箔８２ａ，８２ｂの厚みの比を４：１にしたとき、８０％Ｐｔ−２０％Ｆｅの合金膜が得られることになる。また、厚みの異なる複数の金属箔を材料毎に用意しておき、厚さの組合せを適宜調整することによって、容易に所望の合金膜形成用の蒸着材料を構成することが可能となる。
【００４４】
図４（Ａ）、（Ｂ）は、コンデンサ容量１８００μＦ、放電電圧１００Ｖ、放電周波数１ＨｚでＴＥＭ観察用マイクログリッド上に蒸着材料８０（金属箔８２）の微粒子を１０発蒸着したときのＴＥＭ写真である。図５（Ａ）、（Ｂ）はその蒸着された微粒子のエネルギー分散型蛍光Ｘ線（ＥＤＸ）スペクトルを示している。このときの蒸着源８のアノード電極２３の先端部と上記マイクログリッドとの間の距離は８０ｍｍとした。また、第１の金属箔８２ａは厚さ０．１ｍｍの白金箔、第２の金属箔８２ｂは厚さ０．１ｍｍの鉄箔とした。
【００４５】
図５（Ａ）は、図４のＴＥＭ写真で示される比較的小さな微粒子（直径約２〜３ｎｍ）についてのものであり、図５（Ｂ）は、同写真で示される比較的大きな微粒子（直径約１０ｎｍ）についてのものである。各粒子内に白金と鉄が存在していることが確認された。
【００４６】
また、本実施形態によれば、各金属箔８２ａ，８２ｂがこれらよりも高融点の材料からなる巻き芯８１に巻きつけられて蒸着材料８０が構成されているので、金属箔８２ａ，８２ｂの巻き姿を安定に維持できるとともに、蒸着時における不純物粒子の発生を回避することができる。
【００４７】
さらに、本実施形態の蒸着材料８０においては、絶縁碍子１４の円筒状部１４ａの内部に装着されることによって、蒸着材料８０の外周部を円筒状部１４ａの内周部に弾性的に接触させることが可能となる。これにより、蒸着材料８０と絶縁碍子１４との間の安定した密着を維持できるため、蒸着源８の放電特性の安定化を図ることが可能となる。
【００４８】
以上、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のみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００４９】
例えば以上の実施形態では、蒸着材料８０を構成する金属箔８２として、白金箔でなる第１の金属箔８２ａと鉄箔でなる第２の金属箔８２ｂの２種類の金属箔を用いたが、材料の組み合わせはこれに限られず、適宜変更することが可能である。また、金属箔の種類は２種類に限られず、３種類以上であってもよい。これにより、３元系以上の合金膜を容易に形成することが可能である。
【００５０】
また、蒸着材料８０を構成する金属箔８２ａ，８２ｂはそれぞれ単体の金属元素に限られず、２種以上の合金箔で上記金属箔を構成してもよい。これにより、例えば２種以上の金属箔で３元系以上の合金膜を形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態による真空蒸着装置の概略構成を示す縦断面図である。
【図２】本発明の実施形態による同軸型真空アーク蒸着源の概略構成を示す図であり、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）はその要部の平面図である。
【図３】図２に示す同軸型真空アーク蒸着源の蒸着材料の構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態による真空蒸着装置を用いて作製したＰｔ−Ｆｅ合金膜サンプルのＴＥＭ写真であり、（Ｂ）は（Ａ）を拡大して示したものである。
【図５】図４のＰｔ−Ｆｅ合金膜サンプルのＥＤＸスペクトルであり、（Ａ）は粒子径が２〜３ｎｍの微粒子を示し、（Ｂ）は粒子径が１０ｎｍの微粒子を示している。
【符号の説明】
【００５２】
１・・・真空蒸着装置
２・・・真空槽
４・・・基板
８・・・同軸型真空アーク蒸着源（蒸着源）
６・・・電源ユニット
８０・・・蒸着材料
１２・・・カソード電極
１３・・・トリガ電極
１４・・・絶縁碍子
１４ａ・・・円筒状部
２３・・・アノード電極
２５・・・開口
３１・・・トリガ電源
３２・・・アーク電源
３３・・・コンデンサユニット
８１・・・巻き芯
８２、８２ａ、８２ｂ・・・金属箔
【図１】
2010018871.tif 000003
【図２】
2010018871.tif 000004
【図３】
2010018871.tif 000005
【図５】
2010018871.tif 000006
【図４】
2010018871.tif 000007