(57)【要約】【課題】本発明は、３次元中空容器の薄膜成膜装置を提供することを目的とする。【解決手段】マイクロ波エネルギーを封じ込める円筒型金属製容器と該円筒型金属製容器内に成膜対象物である中空容器を収納する非金属製の真空チャンバーと、該中空容器内に原料ガスを注入する原料ガス導入管が配置され、該円筒型金属製容器の天面部には同軸線路構造のマイクロ波伝送手段を介してマイクロ波エネルギーを注入する手段を具備し、該マイクロ波エネルギー注入手段が該円筒型金属製容器の内面をアース面として存在することが出来る、少なくとも一つ以上のストリップラインによって、該円筒型金属製容器内にマイクロ波エネルギーが注入され、このエネルギーによって得られるプラズマを用いて前記原料ガスをプラズマ化することを特徴とする３次元中空容器の薄膜成膜装置である。【選択図】図１
2006117962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波エネルギーを封じ込める円筒型金属製容器と該円筒型金属製容器内に成膜対象物である中空容器を収納する非金属製の真空チャンバーと、該中空容器内に原料ガスを注入する原料ガス導入管が配置され、該円筒型金属製容器の天面部には同軸線路構造のマイクロ波伝送手段を介してマイクロ波エネルギーを注入する手段を具備し、該マイクロ波エネルギー注入手段が該円筒型金属製容器の内面をアース面として存在することが出来る、少なくとも一つ以上のストリップラインによって、該円筒型金属製容器内にマイクロ波エネルギーが注入され、このエネルギーによって得られるプラズマを用いて前記原料ガスをプラズマ化することを特徴とする３次元中空容器の薄膜成膜装置。
【請求項２】
マイクロ波エネルギーを封じ込めると共に、内部を真空状態に保つことの出来る円筒型金属製容器内に成膜対象物である中空容器を収納し、該中空容器内に原料ガスを注入する原料ガス導入管が配置され、該円筒型金属製容器の天面部には同軸線路構造のマイクロ波伝送手段を介してマイクロ波エネルギーを注入する手段を具備し、該マイクロ波エネルギー注入手段が該円筒型金属製容器の内面をアース面として存在することが出来る、少なくとも一つ以上のストリップラインによって、該円筒型金属製容器内にマイクロ波エネルギーが注入され、このエネルギーによって得られるプラズマを用いて前記原料ガスをプラズマ化することを特徴とする３次元中空容器の薄膜成膜装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の３次元中空容器の薄膜成膜装置において、
複数の該ストリップラインが該同軸線路の給電点を中心に放射状に配置されたことを特徴とする３次元中空容器の薄膜成膜装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の３次元中空容器の薄膜成膜装置において、
該ストリップラインが該同軸線路の給電点から任意の位置まで金属板で覆われて配置されており、該金属板がアース電位であることを特徴とする３次元中空容器の薄膜成膜装置。
【請求項５】
請求項３に記載の３次元中空容器の薄膜成膜装置において、
該ストリップラインの長さが、該同軸線路の給電点から使用する電磁波の半波長の整数倍であり、さらに±２０％の範囲内であることを特徴とする３次元中空容器の薄膜成膜装置。
【請求項６】
請求項４に記載の３次元中空容器の薄膜成膜装置において、
該ストリップラインがアース電位である金属板で覆われた箇所より露出している部分の長さが、使用する電磁波の半波長の整数倍であり、さらに±２０％の範囲内であることを特徴とする３次元中空容器の薄膜成膜装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の３次元中空容器の薄膜成膜装置において、
プラズマＣＶＤ法により薄膜を成膜することを特徴とする３次元中空容器の薄膜成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元中空容器、例えばプラスチックボトル、プラスチックカップ、プラスチックトレー、紙容器、紙カップ、紙トレー、その他中空のプラスチック成形品等の表面にマイクロ波プラズマを使用して原料ガスをプラズマ化し加工処理を行うことにより薄膜を形成させる３次元中空容器の薄膜成膜装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ここ最近、中空容器は食品分野や医薬品分野等の様々な分野において、様々な機能を求められている。その中でプラスチック容器は、軽量、低コストという理由から包装容器として広く使用されている。さて、近年ではバリア性を持たせるために特にプラスチック容器にコーティングする技術が様々開発されており、これらの技術によりバリア薄膜が形成されたプラスチック容器が広く出回っている。（例えば、特許文献１、２参照。）
バリア薄膜を形成する方法として、一般的には円筒構造の空洞共振器を用いて内部に成膜対象物を配置し、原料ガスを注入、さらにマイクロ波エネルギーを注入、そしてそのエネルギーによりプラズマ化したガスにより成膜が施される。この時、空洞共振器内へ如何に効率良くマイクロ波エネルギーを注入するか、またマイクロ波の電磁界分布を出来るだけ均一にするかがポイントとなる。円筒型空洞共振器における共振周波数や共振モードは通常、共振器の内径および高さ、内部の誘電率等により計算されて決定することが出来るが、成膜対象物挿入時においてプラズマ発生状態では内部物質の電気的物理定数の変化に伴い、設計通りの共振状態が得られない。
【０００３】
特許文献１における装置構成は円筒構造の空洞共振器の天面側よりマイクロ波を注入する方法ではあるが、基本的にプラズマ発生部は空洞共振器タイプであるため、マイクロ波供給部分と空洞共振器との間にはある程度、距離がありマイクロ波エネルギー伝送のためのモード変換が必要である。しかし空洞共振器内における電磁界分布はこのモード変換部分での電磁界分布の影響も受け、本来の空洞共振器単体での電磁界分布とは違ったものになってしまい、発生するプラズマの強度分布にも影響を与え、成膜結果にも変化を及ぼしてしまう。また、このモード変換部分では成膜対象物の変更およびガス導入管変更に伴い、電磁界分布も変化し、強いてはプラズマ分布・成膜結果にも影響を与える。この電磁界分布を市販のシミュレーションソフトを活用して解析しても、マイクロ波供給部分とガス導入管の間には強い電界分布の存在を示し、また実際の中空容器への成膜実験ではこの電界の存在によって、この部分には大変強いプラズマが発生し、強いては中空容器内の熱バランスを崩し、この部分だけが変形を起こしてしまうこともある。
【０００４】
この成膜対象物変化に伴う成膜結果を改善する目的で、従来技術では特許文献２のような装置形態も考えられている。特許文献２では、いろいろな形状や寸法の成膜対象物に対応して、良好な成膜結果が得られるように、円筒型導電体を成膜対象物の周囲に挿入し、最適な電磁界分布を得ようとするものである。しかし各種成膜対象物形状に対応するためには、その都度、円筒型導電体の形状を検討しなければならず、汎用性に欠けるものである。
【０００５】
以下に特許文献を示す。
【特許文献１】特表２００３−５１８５５５号公報
【特許文献２】特表２００３−５３４６２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記技術の問題点を解決するためになされたもので、如何なる成膜対象物において、円筒型金属製容器の内面部をアース面とするストリップラインからマイクロ波エネルギーが該円筒型金属製容器内に放射され、このエネルギーから得られるプラズマを用いて原料ガスをプラズマ化することにより薄膜を成膜することを特徴とする３次元中空容器の薄膜成膜装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、すなわち、
本発明の請求項１記載の発明は、
マイクロ波エネルギーを封じ込める円筒型金属製容器と該円筒型金属製容器内に成膜対象物である中空容器を収納する非金属製の真空チャンバーと、該中空容器内に原料ガスを注入する原料ガス導入管が配置され、該円筒型金属製容器の天面部には同軸線路構造のマイクロ波伝送手段を介してマイクロ波エネルギーを注入する手段を具備し、該マイクロ波エネルギー注入手段が該円筒型金属製容器の内面をアース面として存在することが出来る、少なくとも一つ以上のストリップラインによって、該円筒型金属製容器内にマイクロ波エネルギーが注入され、このエネルギーによって得られるプラズマを用いて前記原料ガスをプラズマ化することを特徴とする３次元中空容器の薄膜成膜装置である。
【０００８】
請求項２記載の発明は、
マイクロ波エネルギーを封じ込めると共に、内部を真空状態に保つことの出来る円筒型金属製容器内に成膜対象物である中空容器を収納し、該中空容器内に原料ガスを注入する原料ガス導入管が配置され、該円筒型金属製容器の天面部には同軸線路構造のマイクロ波伝送手段を介してマイクロ波エネルギーを注入する手段を具備し、該マイクロ波エネルギー注入手段が該円筒型金属製容器の内面をアース面として存在することが出来る、少なくとも一つ以上のストリップラインによって、該円筒型金属製容器内にマイクロ波エネルギーが注入され、このエネルギーによって得られるプラズマを用いて前記原料ガスをプラズマ化することを特徴とする３次元中空容器の薄膜成膜装置である。
【０００９】
請求項３記載の発明は、
請求項１又は２に記載の３次元中空容器の薄膜成膜装置において、
複数の該ストリップラインが該同軸線路の給電点を中心に放射状に配置されたことを特徴とする３次元中空容器の薄膜成膜装置である。
【００１０】
請求項４記載の発明は、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の３次元中空容器の薄膜成膜装置において、
該ストリップラインが該同軸線路の給電点から任意の位置まで金属板で覆われて配置されており、該金属板がアース電位であることを特徴とする３次元中空容器の薄膜成膜装置である。
【００１１】
請求項５記載の発明は、
請求項３に記載の３次元中空容器の薄膜成膜装置において、
該ストリップラインの長さが、該同軸線路の給電点から使用する電磁波の半波長の整数倍であり、さらに±２０％の範囲内であることを特徴とする３次元中空容器の薄膜成膜装置である。
【００１２】
請求項６記載の発明は、
請求項４に記載の３次元中空容器の薄膜成膜装置において、
該ストリップラインがアース電位である金属板で覆われた箇所より露出している部分の長さが、使用する電磁波の半波長の整数倍であり、さらに±２０％の範囲内であることを特徴とする３次元中空容器の薄膜成膜装置である。
【００１３】
請求項７記載の発明は、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の３次元中空容器の薄膜成膜装置において、
プラズマＣＶＤ法により薄膜を成膜することを特徴とする３次元中空容器の薄膜成膜装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、例えば図１乃至４に示すような、マイクロ波エネルギーを封じ込める円筒型金属製容器と該円筒型金属製容器内に成膜対象物である中空容器を収納し、該中空容器内に原料ガスを注入する原料ガス導入管が配置され、さらに該円筒型金属製容器の底面部には図示しない真空ポンプによって真空状態を保つための排気口が具備され、そして該円筒型金属製容器内にマイクロ波エネルギーが注入され、このエネルギーによって得られるプラズマを用いて前記原料ガスをプラズマ化する、例えば、プラズマＣＶＤ法により薄膜を成膜する３次元中空容器の薄膜成膜装置において、
マイクロ波エネルギーを注入する手段として該円筒型金属製容器の天面部に同軸線路構造のマイクロ波伝送手段を有し、同軸線路の給電点から該円筒型金属製容器の内面をアース面として形成される少なくとも一つ以上のストリップラインを用いて該円筒型金属製容器内にマイクロ波エネルギーが放射される装置構成にすることによって、該円筒型金属製容器内部では常に安定したマイクロ波の電磁界分布が得られ、結果的に３次元中空容器への薄膜成膜も安定して均一化された成膜が得られる。
【００１５】
また、該円筒型金属製容器内に収納可能な中空容器であれば、該円筒型金属製容器内における電磁界分布の大きな変化がないため、いろいろな形状や寸法に変化に対してもある程度、安定した良好な成膜結果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明における３次元中空容器の薄膜成膜装置の基本構成について図１から図４を用いて説明するがこれに限定されるものではない。
【００１７】
先ず、図１は、本発明における一実施例を示した側断面図であり、図２は斜視図である。主にマイクロ波エネルギーを封じ込める円筒型金属製容器１の内部に成膜対象物である中空容器３を収納する非金属製の真空チャンバー２が配置され、内部にある中空容器内に原料ガスを注入する原料ガス導入管４が該円筒型金属製容器１の底面部より挿入され、かつ、底面部では金属製容器内を真空状態にするための排気口５が具備されている。
該円筒型金属製容器１の天面部には同軸線路６構造のマイクロ波伝送手段を介してマイクロ波エネルギーを注入するために、該円筒型金属製容器１の内面をアース面として存在することが出来る、少なくとも一つ以上のストリップライン７が該同軸線路６の給電点より、放射状に広がって配置されている。図２ではこのストリップライン７を４本として構成したがこれに限定されるものではない。ストリップライン７の先端部をアース電位面対してオープンとすることで、ストリップライン上に定在波が発生し、よってマイクロ波エネルギーは該円筒型金属製容器内に放射される。
【００１８】
各ストリップライン７は同じ長さで、しかも円筒型容器内を均等に放射状に配置されているため、円筒型金属製容器１内での電磁界分布は常に一定した分布形態となる。この電磁界分布によるマイクロ波エネルギーによって得られるプラズマを用いてＣＶＤ法により薄膜を３次元中空容器に成膜する訳だが、電磁界分布が一定しているため、成膜結果も常に安定しており、成膜の均一性も得られる。
【００１９】
図３は、本発明における別の一実施例を示した側断面図である。基本的には図１および図２と同様に、円筒型金属製容器１の内部に成膜対象物である中空容器３が配置され、該中空容器内に原料ガスを注入する原料ガス導入管４が該円筒型金属製容器１の底面部より挿入され、かつ、底面部では金属製容器内を真空状態にするための排気口５が具備されている。
【００２０】
しかし、図１および図２のような中空容器３を収納する非金属製の真空チャンバー２は用いず、該円筒型金属製容器１内の全体を真空引きするものである。よって、マイクロ波の導入部分である同軸線路６部分も真空シールされる構造が必要である。
マイクロ波エネルギーを注入する手段としては、図１および図２と同様に該円筒型金属製容器１の天面部から同軸線路６構造のマイクロ波伝送手段を介してマイクロ波エネルギーを注入する。そして、該円筒型金属製容器１の内面をアース面として存在することが出来る、少なくとも一つ以上のストリップライン７が該同軸線路６の給電点より、放射状に広がって配置されている。ストリップライン７の先端部をアース電位面対してオープンとすることで、ストリップライン上に定在波が発生し、よってマイクロ波エネルギーは該円筒型金属製容器内に放射される。
【００２１】
各ストリップライン７は同じ長さで、しかも円筒型容器内を均等に放射状に配置されているため、円筒型金属製容器１内での電磁界分布は常に一定した分布形態となる。この電磁界分布によるマイクロ波エネルギーによって得られるプラズマを用いてＣＶＤ法により薄膜を３次元中空容器に成膜する訳だが、電磁界分布が一定しているため、成膜結果も常に安定しており、成膜の均一性も得られる。
【００２２】
図４は、本発明におけるさらに別の一実施例を示した側断面図である。図１、図２および図３における装置構成において、マイクロ波エネルギーを伝送・注入する同軸線路部６の給電点に該ストリップライン７が接続され、この給電点から任意の位置まで、円筒型金属製容器１の内面電位と同じアースシールド導体８で覆われ、ストリップライン７と円筒型金属製容器１の内面との距離と、同じくストリップライン７とアースシールド導体８との距離がほぼ等しい位置に配置されている。これはマイクロ波での伝送方式におけるコプレナー型伝送方式に類似した構造である。
【００２３】
このアースシールド導体８の配置目的は、円筒型金属製容器内で不必要な部分へのマイクロ波放射を抑圧するためであり、成膜の均一性をさらに高めるものである。特に図３に示すような、円筒型金属製容器１内を真空引きして、マイクロ波エネルギーを加え、中空容器内部にプラズマを発生させて成膜する装置構成では、圧力・マイクロ波電力・ガス条件によっては中空容器以外でプラズマが発生してしまうことがある。これは同軸線路６の給電点から特定の範囲までのストリップライン７からのマイクロ波放射による影響が大きいためである。よって図４では、プラズマ発生（成膜エリア）外の不必要な部分でのストリップライン７はアースシールド導体８で遮蔽し、不要輻射を抑えるものである。
【００２４】
この効果は、図３に示すような真空チャンバー２を用いない装置形態では特に有効であるが、図１および図２のような装置形態でも真空チャンバー２内上部のプラズマ放電制御にも有効である。
【００２５】
ここで、マイクロ波の発生から円筒型金属製容器１内部までのマイクロ波エネルギー供給について図１を用いて説明する。
【００２６】
マイクロ波はマイクロ波発振器９によって作り出されるが、その発振源は一般的には発振周波数２．４５ＧＨｚのマグネトロンが用いられるが別の周波数でも問題ない。
そして、マイクロ波は方形導波管１０を用いて、整合器１１を介して負荷側（成膜装置側）へと導かれる。前記に説明したように、成膜装置へ直接的にマイクロ波エネルギーを伝送する部分は同軸線路６であるが、この同軸線路６の伝送モードと導波管内の伝送モードを変換することが必要であり、その機能を果たす部分が、導波管同軸変換部１２である。これは同軸線路６の中心導体が方形導波管１０の中央部に侵入した構造であり、ここにマイクロ波が励起し、同軸線路６方向へと進行する。
【００２７】
整合器１１は方形導波管１０での整合器１１の配置位置から、導波管同軸変換部１２側をみたインピーダンスと、マイクロ波発振器９側をみたインピーダンスとがマッチングして、マイクロ波発振器９側への反射波が発生しないように、整合を取るように調整するものである。この反射波が大きいと成膜装置内へ十分なマイクロ波エネルギーが注入できずプラズマが発生しないと同時に、反射波によって発振源であるマグネトロンへダメージを与えてしまう恐れもある。また、一般的にこの整合器１１はスリースタブチューナーやＥ−Ｈチューナーが用いられる。
【００２８】
尚、図３および図４では、装置へのマイクロ波供給部分の図示を省略したが、図１に示したのと同様な装置が用いられることは容易に想像できる。
【００２９】
また、該円筒型金属製容器１の天面部から同軸線路構造の伝送手段を介し、同軸線路６の給電点から該円筒型金属製容器１の内面をアース面として形成される放射状の複数のストリップライン７を用いて該円筒型金属製容器中央部へマイクロ波エネルギーが放射される装置構成であるため、常に安定した電磁界分布が得られ、よって該円筒型金属製容器内に収納可能な中空容器であれば、該円筒型金属製容器内における電磁界分布の大きな変化がないため、いろいろな形状や寸法に変化に対してもある程度、安定した良好な成膜結果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明での薄膜成膜装置における実施例の一例を示す側断面図である。
【図２】本発明での薄膜成膜装置における実施例の一例を示す斜視図である。
【図３】本発明での薄膜成膜装置における実施例の別の一例を示す側断面図である。
【図４】本発明での薄膜成膜装置における実施例のさらに別の一例を示す側断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１・・・円筒型金属製容器
２・・・非金属性真空チャンバー
３・・・３次元中空容器（成膜対象物）
４・・・原料ガス導入管
５・・・排気口
６・・・同軸線路
７・・・ストリップライン
８・・・アースシールド導体
９・・・マイクロ波発振器
１０・・・方形導波管
１１・・・整合器
１２・・・導波管同軸変換部
【図１】
2006117962.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006117962.tif 000006