(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸着材料からなるカソード電極と、該カソード電極の外周を包囲する絶縁ガイシと、該絶縁ガイシの外周に設けられたトリガ電極と、が一つのユニット体を形成し、該ユニット体が筒状のアノード電極内に収容され、該アノード電極が真空管内に収容されてできるアーク蒸着源を具備する真空アーク蒸着装置において、
前記カソード電極の一端は前記絶縁ガイシの端部から突出しており、該突出したカソード電極の側面と前記トリガ電極の一端との間で沿面放電がなされるものであり、
トリガ電極の前記一端には、絶縁部材が設けられており、
前記トリガ電極は絶縁ガイシの端部から後退した位置で該絶縁ガイシの外周に装着されており、該トリガ電極の前記一端に設けられた前記絶縁部材の端面がカソード電極端面と面一もしくは略面一となっている、真空アーク蒸着装置。
【請求項２】
前記絶縁ガイシと前記トリガ電極の間にＣリングが介在しており、
前記絶縁部材が前記Ｃリングの端面を包囲していることを特徴とする、請求項１に記載の真空アーク蒸着装置。
【請求項３】
前記真空管内においてアノード電極の開放端に対向する位置には被蒸着物を収容する収容部が具備されており、該収容部は前記真空管の軸心まわりに回転自在な皿状のチャンバーを有しており、これに粉体の被蒸着物が収容された姿勢でチャンバーの回転によって攪拌され、アークプラズマが該攪拌された粉体に照射されるものである、請求項１または２に記載の真空アーク蒸着装置。
【請求項４】
前記蒸着材料が白金からなり、前記粉体が粉状のカーボン担体であり、該カーボン担体に白金または白金合金を担持させるのに供される請求項３に記載の真空アーク蒸着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は真空アーク蒸着装置に係り、特に、カソード電極を構成する蒸着材料が溶融してこれがトリガ電極と繋がり、蒸着源が短絡するのを効果的に防止することのできる真空アーク蒸着装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、環境負荷影響等に優しい車両としてハイブリッド自動車、電気自動車が注目されており、その一層の小型化、高性能化を目指した開発が日々進められている。中でも、電気自動車等に車載される燃料電池は内燃機関と発電原理を大きく異にするもので、清浄な排ガスの排出、静粛な走行などを実現する上で極めて重要な車載機器である。
【０００３】
比較的低温で作動する高分子電界質を使用してなる燃料電池においては、正負極の触媒に比較的高価な白金が使用されており、より具体的には、カーボンからなる粉状担体表面に白金が担持されることによって燃料電池用電極が製造されている。
【０００４】
ところで、特許文献１には蒸着装置に関する技術が開示されている。この蒸着装置は、トリガ放電等によって蒸着材料の構成粒子が飛散する際に、トリガ電極と蒸着材料とを絶縁する絶縁部材の沿面にこの構成粒子が到達できない非付着面を設けるように構成したものである。この非付着面を設けることにより、トリガ電極と蒸着材料との間に該構成粒子が付着して絶縁耐圧を低下させ、最終的に蒸着源が使用できなくなるまでの時間を長くすることができるというものである。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２５６３１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、白金をはじめとする各種金属からなるカソードを蒸着源とした真空アーク蒸着装置においては、溶融した金属カソードが側方に流れて細長いフレーク状の金属物を形成することが往々にしてあり、この金属物がカソード電極外周に形成されたトリガ電極に接触することにより、カソード電極とトリガ電極間が短絡して該蒸着装置がその時点で使用できなくなる。すなわち、メンテナンスが無い状態での蒸着装置の耐久期間もしくは耐久回数（使用可能期間もしくは使用可能回数）は、この短絡までの期間もしくは回数といっても過言ではなく、したがって、一定回数のプラズマ照射の後にメンテナンスが余儀なくされているのが現状である。特許文献１に開示の蒸着装置の構成では、このカソード電極とトリガ電極間のフレーク状の金属物による短絡防止を図ることは極めて難しく、蒸着装置の耐久期間を長くしたり使用回数を多くすることはできない。
【０００７】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、蒸着材料からなるカソード電極とその外周にトリガ電極を形成したアーク蒸着源を具備する真空アーク蒸着装置にかかり、カソード電極を構成する蒸着材料が溶融した際に生じる細長いフレーク状の金属物によって該カソード電極とトリガ電極間が短絡し、使用不可に至るという課題を解消でき、もってメンテナンスのない状態での使用期間をより長期間とする（または使用回数をより多くする）ことのできる、真空アーク蒸着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】
【０００８】
前記目的を達成すべく、本発明による真空アーク蒸着装置は、蒸着材料からなるカソード電極と、該カソード電極の外周を包囲する絶縁ガイシと、該絶縁ガイシの外周に設けられたトリガ電極と、が一つのユニット体を形成し、該ユニット体が筒状のアノード電極内に収容され、該アノード電極が真空管内に収容されてできるアーク蒸着源を具備する真空アーク蒸着装置において、前記カソード電極の一端は前記絶縁ガイシの端部から突出しており、該突出したカソード電極の側面と前記トリガ電極の一端との間で沿面放電がなされるものであり、トリガ電極の前記一端には、絶縁部材が設けられていることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の真空アーク蒸着装置は、カソード電極とトリガ電極間の短絡を防止することによってその使用可能期間を従来の装置に比して格段に長くすることができるものであり（または、使用可能回数が格段に多くなるもの）、カソード電極に使用される蒸着材料は金属全般もしくは金属合金全般を含むものである。さらに、その用途は、半導体装置や液晶表示装置等を構成する基板上に金属薄膜を形成することは勿論のこと、燃料電池の電極形成にも好適である。
【００１０】
真空アーク蒸着装置を構成するアーク蒸着源は、蒸着材料からなるカソード電極と、該カソード電極の外周を包囲する絶縁ガイシと、該絶縁ガイシの外周に設けられたトリガ電極と、が一つのユニット体を形成し、該ユニット体が筒状のアノード電極内に収容され、これらが真空管内に収容されて形成されるものである。ここで、蒸着材料からなるカソード電極は、たとえば蒸着材料が長細状に成形されたものを電極ホルダに締結し、これを筒状の絶縁ガイシ内に収容することで形成できる。なお、絶縁ガイシは、たとえばシリカ（ＳｉＯ２）等から成形される。
【００１１】
アノード電極とカソード電極の間に電圧を印加するとともにトリガ電極に電圧を印加すると、トリガ電極と蒸着材料からなるカソード電極との間に沿面放電が発生し、これにより、アノード電極と蒸着材料（カソード電極）の間にアーク放電が励起される。このアーク放電によって蒸着材料が蒸発し、アノード電極に向かう荷電微粒子が放出される。この荷電微粒子は、アノード電極内に生じる磁場の影響により、たとえば真空管内のアノード電極の開放端に対向する位置に載置された基板に飛ばされ、該基板上で薄膜を成長させることになる。
【００１２】
カソード電極の一端は絶縁ガイシの端部から若干突出しており、該突出したカソード電極の側面とトリガ電極の一端との間で上記する沿面放電がなされる。ここで、本発明の真空アーク蒸着装置においては、このトリガ電極の一端に絶縁部材を形成するものであり、この絶縁部材によってトリガ電極の一端を完全に包囲することにより、溶融してフレーク状となった蒸着材料がカソード電極（の突出部の側面）とトリガ電極（の一端）を繋いで短絡させるのを効果的に防止するものである。
【００１３】
蒸着源の一実施の形態として、トリガ電極が絶縁ガイシの端部から後退した位置で該絶縁ガイシの外周に装着され、該トリガ電極の一端に設けられた絶縁部材の端面がカソード電極端面と面一もしくは略面一となっているような形態であってもよい。
【００１４】
ここで、上記する絶縁部材は、アーク蒸着源内の高温雰囲気に耐え得る耐熱性と、絶縁性の双方を具備する素材から成形されるものであればその素材は特に限定されるものではないが、たとえば、アルミナやジルコニアなどを主成分とするセラミック等から成形することができる。
【００１５】
また、絶縁ガイシとトリガ電極の間にたとえば金属素材のＣリングが介在する実施の形態であってもよいが、この場合には、Ｃリングがトリガ電極と通電可能となっていることから、絶縁部材がこのＣリングの端面をも包囲することを要する。
【００１６】
また、本発明による真空アーク蒸着装置の他の実施の形態において、前記真空管内のアノード電極の開放端に対向する位置には被蒸着物を収容する収容部が具備されており、該収容部は前記真空管の軸心まわりに回転自在な皿状のチャンバーを有しており、これに粉体の被蒸着物が収容された姿勢でチャンバーの回転によって攪拌され、アークプラズマが該攪拌された粉体に照射されるものである。
【００１７】
本実施の形態は、真空管内のアノード電極の開放端に対向する位置に回転自在のチャンバーを備えていて、このチャンバー内で被処理対象の粉体を効率的に微小単位にばらばらにしながら、微小単位の粉体表面にアークプラズマ照射することで金属触媒を担持させるものである。プラズマ照射に際して粉体を微小単位に粉々にすることで、粉体の凝集によって金属触媒が凝集体の一部にしか形成されないといった問題を解消し、もって金属触媒の有効面積を大きくし、微小粉体表面に均一に金属触媒を担持させることができる。しかも、メンテナンス無しで当該アーク蒸着装置を長期に亘って使用することができるため、あるいは多数回に亘って使用することができるため、高品質な製品（たとえば電極触媒）を従来の装置に比して格段に安価に製造することができる。
【００１８】
上記実施の形態において、たとえば前記粉体が粉状のカーボン担体であり、該カーボン担体に白金または白金合金をドライ担持させるのに供されるのが好ましい。この白金は比較的高価であるため、本発明の上記装置を使用することでその単位重量あたりの有効面積を大きくすることが可能となり、もって白金使用量を低減することに繋がる。本発明の上記装置をかかる用途に適用することで、昨今その開発が日々進められており、その生産が拡大しつつある燃料電池自動車の電池触媒の生産に好適である。なお、そのほか、ディーゼルエンジンの触媒等の生産にも適用できることは言うまでもない。
【発明の効果】
【００１９】
以上の説明から理解できるように、本発明の真空アーク蒸着装置によれば、蒸着源を形成する蒸着材料からなるカソード電極の該蒸着材料が溶融し、これがトリガ電極とカソード電極とを繋いで短絡させるのを、トリガ電極端部に設けられた絶縁部材が効果的に抑止することで、従来のアーク蒸着装置に比して使用可能期間が格段に長い、もしくは使用可能回数が格段に多い真空アーク蒸着装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の真空アーク蒸着装置の一実施の形態の側面図であり、図２は蒸着源を拡大した縦断面図であり、図３は図２の蒸着源において、溶融してフレーク状に生成された蒸着材料が絶縁部材の表面に付着している状況を説明した図である。なお、図示する実施例の真空アーク蒸着装置は、燃料電池の電池触媒製造のために粉状のカーボン担体に白金または白金合金を担持させるのに供されるものであるが、本発明の真空アーク蒸着装置は、蒸着材料として白金以外の金属材料を使用できること、その用途として半導体装置や液晶表示装置等を構成する基盤上に金属薄膜を形成するのに供されることは勿論のことである。尤も、この薄膜形成の際には、真空アーク蒸着装置を構成する回転自在のチャンバーの代わりに基盤載置台を設けることになる。
【実施例】
【００２１】
図１は本発明の真空アーク蒸着装置の一実施の形態を概略説明した図である。この真空アーク蒸着装置１００は、アークプラズマガンを構成する電源２０とこれに固定された真空管８の長手方向であってプラズマ照射方向を水平面に対してθ傾斜させた姿勢で該真空アーク蒸着装置１００が位置決め固定され、この真空管８の先端に粉状カーボン担体Ｃが収容されたチャンバーを有する収容部３０が装着され、この収容部３０はさらに先端のサーボモータ４０（たとえばオリエンタルモーター株式会社製のＡＸＵ４２５）にて所定速度で回転自在に構成されている（Ｘ１方向）。真空管８内には該真空管８をその構成要素とするアーク蒸着源１０が内蔵されているが、その詳細は後述する。また、真空アーク蒸着装置１００は真空ポンプ５０（たとえばターボ分子ポンプで、株式会社アルバック製のＹＴＰ１５０）、補助真空用のロータリーポンプ６０に連通しており、これによって真空管８内を真空とし、放電させるようになっている。なお、上記する角度θ方向はチャンバーの自転軸とも一致しているが、このθの範囲はカーボン担体をチャンバー内壁から落下させるのを促進する等の観点から、３０〜６０度の範囲に設定されるのが好ましい。
【００２２】
また、真空アーク蒸着装置１００は不図示のパーソナルコンピュータに繋がっており、このコンピュータ内には、真空アーク蒸着装置１００にパルス信号を送信しながらプラズマのパルス照射を実行できる構成となっている。また、サーボモータ４０の回転速度もコンピュータにて制御できるようになっており、この回転速度とパルス信号送信のタイミングの双方が調整されるようになっている。
【００２３】
たとえば、粉状カーボン担体Ｃへの白金触媒のドライ担持条件として、真空管８内の真空度は１．０×１０−４Ｐａ、アーク電圧を２００Ｖ、トリガ電圧を３．４ｋＶ、温度は常温とし、アークプラズマ照射はパルス照射するものとしてその照射間隔は４パルス／秒、サーボモータ４０の回転数は４５ｒｐｍにて電極触媒の製造を実施することができる。
【００２４】
上記する本発明の真空アーク蒸着装置１００によれば、粉状カーボン担体Ｃをチャンバーの回転によって随時落下させながらその凝集を防止するとともに、微小単位の粉状のカーボン担体Ｃを生成でき、これにアークプラズマが照射されることで、カーボン担体表面に均一な白金触媒を担持させることが可能となる。
【００２５】
次に、図２に基づいて真空アーク蒸着装置１００を形成するアーク蒸着源１０の構成を詳述する。
【００２６】
アーク蒸着源１０は、蒸着材料である白金から成形され、その内部に凹溝を有するカソード電極１と、該カソード電極１の凹溝内に挿通されたボルト７を介してカソード電極１と接続される電極ホルダ５と、このカソード電極１および電極ホルダ５の外周を包囲する筒状の絶縁ガイシ４と、該絶縁ガイシ４の外周に設けられたＣリング９とその外周に設けられた筒状のトリガ電極２と、が一つのユニット体を形成し、このユニット体が筒状のアノード電極６内に収容され、これらが筒状の真空管８内に収容されて形成される。
【００２７】
カソード電極１の一端１’は絶縁ガイシの端部４’からたとえば１ｍｍ程度突出しており、この突出したカソード電極の側面１”とトリガ電極２の一端２’との間で沿面放電がなされる。なお、図示する実施例では、金属素材のＣリング９がトリガ電極２と通電することから、実際には、Ｃリング９の一端９’とカソード電極の側面１”との間で沿面放電がなされることになる。
【００２８】
トリガ電極２は絶縁ガイシ４の端部４’から後退した位置で該絶縁ガイシ４の外周に装着されており、トリガ電極２の上記一端２’には、トリガ電極２の一端２’と同形状で同寸法の円環状に成形された絶縁部材３が接続されており、この絶縁部材３の端面３’がカソード電極１の一端１’と面一もしくは略面一に位置決めされている。
【００２９】
たとえば、トリガ電極２の厚みｔ１を６ｍｍ、絶縁部材３の厚みｔ２を４ｍｍとし、円環状のトリガ電極２の外径をφ２６ｍｍに設定することができる。
【００３０】
ここで、絶縁部材３は、アーク蒸着源内の高温雰囲気に耐え得る耐熱性と、絶縁性の双方を具備する素材から成形されるものであればその素材は特に限定されるものではないが、たとえば、アルミナやジルコニアなどを主成分とするセラミック等から成形できる。
【００３１】
図３は、図２で示すアーク蒸着源１０において、プラズマ照射を所定回数実行した時点での該アーク蒸着源１０の状況を模式的に説明したものである。
【００３２】
たとえば、プラズマ照射を１００００回程度実行すると、図３で示すように、蒸着材料である白金の溶融物がカソード電極１に留まることができなくなり、その側方のトリガ電極２側に流れてフレーク状の金属物ｆが生成される。
【００３３】
従来の真空アーク蒸着装置では、このフレーク状の金属物ｆがトリガ電極の端面に接着することでカソード電極とトリガ電極とが金属物ｆを介して通電可能となって短絡し、この時点でアーク蒸着装置の使用ができなくなっていた。短絡した時点で作業員は金属物ｆを取り除いたり、短絡する前の段階で生成された金属物ｆを取り除くといったメンテナンスが余儀なくされており、このメンテナンスには時間と手間が掛かることから、アークプラズマ照射の製造効率は低いものであった。
【００３４】
しかし、図示する本発明の真空アーク蒸着装置１００を形成するアーク蒸着源１０では、トリガ電極２の一端２’が絶縁部材３にて包囲されているために、生成された金属物ｆはこの絶縁部材３の端面３’に付着し、トリガ電極２に接触することが確実に抑止される。
【００３５】
なお、図示する実施例では、カソード電極１とトリガ電極２の間に金属素材のＣリング９が介在しているので、このＣリング９の一端９’も絶縁部材３にて包囲されている。
【００３６】
[本発明の真空アーク蒸着装置を使用した際のアークプラズマ照射可能回数に関する実験とその結果]
本発明者等は、蒸着源１０を備えた図１で示す実施例の真空アーク蒸着装置１００を用意し、アークプラズマ連続照射を実施して、プラズマ照射回数を検証した。なお、トリガ電極２が絶縁部材３にて包囲されていないアーク蒸着源を有する従来の真空アーク蒸着装置を使用して同様にアークプラズマ連続照射を実施した場合には、照射可能回数は１２０００回程度であった。すなわち、従来の装置では、１２０００回程度のアークプラズマ照射の段階でフレーク状金属物によるカソード電極とトリガ電極間の短絡が生じ、この時点でプラズマ照射が不可となるものであった。
【００３７】
実験の結果、実施例の真空アーク蒸着装置１００を使用した場合には、短絡することなく、本発明者等の目標とする４００００回のアークプラズマ連続照射が実現できた。
【００３８】
上記する実験の結果、本発明の真空アーク蒸着装置１００を使用することで、その使用可能照射回数もしくは耐久期間は、カソード電極を形成する蒸着材料が使用し尽されるまでの期間となり、何らのメンテナンスを要することなく多数回のアークプラズマ連続照射を実行することが可能となる。
【００３９】
また、真空アーク蒸着装置１００はその先端に粉状カーボン担体Ｃを収容する回転自在のチャンバーを具備する収容部３０を備えており、このチャンバーの回転によって粉状カーボン担体Ｃを効率的に微小単位にばらばらにしながら、微小単位の粉体表面にアークプラズマ照射することにより、金属触媒の有効面積を大きくし、微小粉体表面に均一に金属触媒を担持させることが可能となるものである。
【００４０】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に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における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の真空アーク蒸着装置の一実施の形態の側面図である。
【図２】蒸着源を拡大した縦断面図である。
【図３】図２の蒸着源において、溶融してフレーク状に生成された蒸着材料が絶縁部材の表面に付着している状況を説明した図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…カソード電極、２…トリガ電極、３…絶縁部材、４…絶縁ガイシ、５…電極ホルダ、６…アノード電極、７…ボルト、８…真空管、９…Ｃリング、１０…アーク蒸着源、２０…電源、３０…収容部、４０…サーボモータ、５０…真空ポンプ、６０…回転ポンプ、１００…真空アーク蒸着装置、Ｃ…粉状カーボン担体
【図１】
0004964110.tif 000002
【図２】
0004964110.tif 000003
【図３】
0004964110.tif 000004