JP4604541B2 - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

Description

本発明は、中空状のプラスチック容器の内面に薄膜を形成させる成膜装置及びそれを用いた成膜方法に関するものである。

ペットボトルなどの中空状のプラスチック容器は、その成形の容易性や軽量性、さらには低コストである等の種々の特性から、様々な分野において広く使用されている。しかしながら、一般的にプラスチック容器は、酸素や二酸化炭素、水蒸気のような低分子ガスを透過する性質を有しており、それが問題となっていることも多々ある。そうした問題を解決する手段として、プラスチック容器の内面または外面に炭素や酸化珪素等の薄膜を形成し、容器のガスバリア性を向上させる技術がある。中でも高いガスバリア性が得られる薄膜の形成方法として、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、容器の内面へ薄膜を形成させる装置及び成膜方法が開発されている。例えば、中空状の外部電極と内部電極の間に、成膜対象であるプラスチック容器を設置し、外部電極に高周波電力を印加して容量結合型プラズマを発生させ、プラスチック容器の内面に薄膜を形成させる装置及び成膜方法、又は、コイル状外部電極の内側に成膜対象であるプラスチック容器を設置し、外部電極に高周波電力を印加して、その誘導電界により誘導結合型プラズマを発生させ、成膜対象のプラスチック容器の内面に薄膜を形成させる装置及び成膜方法、あるいは、マイクロ波を電源に使用した成膜装置及び成膜方法等が提案されており、さらに、生産性の向上、低コスト化を目指して、より高速な成膜処理を実現する方法として、容量結合型プラズマを発生させ、複数個のプラスチック容器の内面に同時に薄膜を形成させる装置及び成膜方法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照。）。
特開平８−５３１１７号公報 特開２００１−３１０９６０号公報 特表２００２−５０９８４５号公報 特開平１０−２５８８２５号公報

しかし、前記提案されている成膜装置及び成膜方法では、成膜室へのプラスチック容器の導入、成膜室からの取り出し、成膜後の成膜室の真空排気など成膜以外の作業に非常に時間がかかり、非効率的であった。

本発明の課題は、中空状のプラスチック容器の内面へ薄膜を形成させる成膜装置で、プラスチック容器の導入、容器内面への成膜、成膜後のプラスチック容器の排出などが連続的に効率良く実施可能な成膜装置及びそれを用いた成膜方法を提供することにある。

本発明の請求項１に係る発明は、中空状のプラスチック容器の内面にプラズマＣＶＤ法で薄膜を形成させるロータリー型の成膜装置において、高周波電源と、高周波電源に接続されたインピーダンス整合器と、インピーダンス整合器に接続された所定形状の金属板Ａと、円状に配置された複数の真空成膜部と、真空成膜部の外部電極に接続された所定形状の金属板Ｂとを備えており、成膜装置の回転に伴って前記真空成膜部が金属板Ａの位置にきた時に、金属板Ａと金属板Ｂが近接し、小空間を介して対向することにより、金属板Ａと金属板Ｂがコンデンサーの作用をして非接触状態で電力を供給できるように金属板Ａと真空成膜部に接続された金属板Ｂが配置されていることを特徴とする成膜装置である。

本発明の請求項２に係る発明は、上記請求項１に係る発明において、前記真空成膜部が、容量結合型プラズマ若しくは誘導結合型プラズマを発生させて薄膜を形成させるものからなることを特徴とする成膜装置である。

本発明の請求項３に係る発明は、上記請求項１又は請求項２記載の成膜装置を用いて、真空成膜部内に中空状のプラスチック容器を挿入後に、装置を回転させ、プラスチック容器が挿入された真空成膜部が金属板Ａの位置にきた時に、ガス導入管から成膜用ガスを導入すると共に、該金属板Ａと真空成膜部に接続された金属板Ｂとで構成されるコンデンサーを介して真空成膜部の外部電極へ電力を印加してプラズマを発生させ、容器内面に薄膜を形成させることを特徴とする成膜方法である。

本発明の成膜装置は、中空状のプラスチック容器の内面にプラズマＣＶＤ法で薄膜を形成させるロータリー型の成膜装置において、高周波電源と、高周波電源に接続されたインピーダンス整合器と、インピーダンス整合器に接続された所定形状の金属板Ａと、円状に配置された複数の真空成膜部と、真空成膜部の外部電極に接続された所定形状の金属板Ｂとを備えており、装置の回転に伴って前記真空成膜部が金属板Ａの位置にきた時に、金属板Ａと金属板Ｂが接近し、小空間を介して対向するように金属板Ａと真空成膜部に接続された金属板Ｂが配置されており、前記真空成膜部が容量結合型プラズマ若しくは誘導結合型プラズマを発生させて薄膜を形成させるものからなる装置であり、その成膜装置を用いた成膜方法は、中空状のプラスチック容器の内面に薄膜を形成させる時に、金属板Ａと金属板Ｂで構成されるコンデンサーを介して高周波電力が印加され、プラズマを発生させて、薄膜を形成させる方法なので、成膜装置の耐久性も良く、連続成膜が効率良く、かつ高速に実施でき、得られる薄膜も均一である。

図２は本発明の成膜装置の一実施形態を示す概要説明図であり、成膜装置（１）はロータリー型の成膜装置であり、高周波電源（１０）と、高周波電源（１０）に接続されたインピーダンス整合器（１１）と、インピーダンス整合器（１１）に接続され、先端が円弧状で所定の大きさの金属板Ａ（１２）と、前記高周波電源（１０）、インピーダンス整合器（１１）及び金属板Ａ（１２）を取り囲むように円状に配置された真空成膜部（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ、２０ｇ、２０ｈ）とを備えており、さらに前記真空成膜部（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ、２０ｇ、２０ｈ）には、成膜装置が回転された時に、前記金属板Ａ（１２）と近接して、小空間（１４）を介して対向するようにＴ字状の金属板Ｂ（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ、１３ｇ、１３ｈ）が接続されている。従って、成膜装置が回転されて、真空成膜部（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ、２０ｇ、２０ｈ）が各々前記金属板Ａ（１２）の位置に来た時に、前記金属板Ａ（１２）と各々の金属板Ｂ（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ、１３ｇ、１３ｈ）とが近接して、小空間（１４）を介して対向し、２枚の金属板Ａと金属板Ｂがコンデンサーの作用をして非接触状態で電力を供給でき、連続して成膜が可能となる。さらに、成膜装置（１）は成膜前の容器（３０）の容器搬入部（２１）と、成膜後の容器（３１）を排出する為の容器搬出部（２２）を備えている。

前記金属板Ａ（１２）は真空成膜部（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ、２０ｇ、２０ｈ）の外側に設けられてもよく、その場合の形状は先端が反対向きの円
弧状のもので金属板Ｂと近接し、小空間を介して対向するようにする。

図１（ａ）は本発明の成膜装置に使用される一実施形態の真空成膜部で、容量結合型プラズマを発生させ、薄膜を形成させる真空成膜部を説明する為の詳細説明図であり、この真空成膜部は、中空形状の本体部（４１）の上端に容器の出し入れをする為の開閉可能な天蓋部（４２）と下端に排気口部（４３）を有し、さらに排気口部（４３）側の両側の所定位置に、成膜前の容器（３０）の開口部（３０ａ）を下にし、倒立させて設置し、かつ電極と絶縁させる絶縁性容器支持板（４４、４５）を有する外部電極兼真空チャンバー（４０）と、前記外部電極兼真空チャンバー（４０）の排気口部（４３）に接続されている真空ポンプ（４６）と、外部電極兼真空チャンバー（４０）の内部に、設置した成膜前の容器（３０）の開口部（３０ａ）から容器内部に成膜用ガス（６０）を導入する為の中空形状の内部電極兼ガス導入管（４７）とを備えている。外部電極兼真空チャンバー（４０）にはＴ字状の金属板Ｂ（図には１３ａを示している）が接続されている。なお、図示していないが、内部電極兼ガス導入管（４７）は成膜装置を通じて接地され、アースされている。

図１（ｂ）は本発明の成膜装置に使用される他の実施形態の真空成膜部で、誘導結合型プラズマを発生させ、薄膜を形成させる真空成膜部を説明する為の詳細説明図であり、この真空成膜部は、中空形状の本体部（５１）の上端に容器の出し入れをする為の開閉可能な天蓋部（５２）を有し、下端に排気口部（５３）を有し、さらに排気口部（５３）側の両側の所定位置に、成膜前の容器（３０）の開口部（３０ａ）を下にし、倒立させて設置する為の容器支持板（５４、５５）を有する真空チャンバー（５０）と、前記真空チャンバー（５０）の外周に巻かれているコイル状外部電極（５９）と、前記真空チャンバー（５０）の排気口部（５３）に接続されている真空ポンプ（５６）と、前記真空チャンバー（５０）の内部に成膜用ガス（６０）を導入する為の中空形状の内部電極兼ガス導入管（５７）を備えている。コイル状外部電極（５９）の一端にＴ字状の金属板Ｂ（図には１３ａを示している）が接続されており、コイル状外部電極（５９）の他端は図示していないが成膜装置を介して接地され、アースされている。

前記金属板Ａ（１２）及び金属板Ｂ（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ、１３ｇ、１３ｈ）は一般的に銅やアルミニウムなどの金属からなっているが、導電体であればその他の材料でも問題はない。前記金属板Ａ（１２）と金属板Ｂ（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ、１３ｇ、１３ｈ）間の距離は小さい方が好ましく、大きくなると成膜装置などのアース面との結合の影響が大きくなり電力の使用効率が悪くなる。実際にはインピーダンス整合器の整合範囲内に入ることが必要であり、インピーダンスは金属板Ａと金属板Ｂ間の距離および対向している面積により調整を行う。

以下に、誘導結合型プラズマを発生させ、薄膜を形成させる真空成膜部を有する成膜装置を用いて、中空状のプラスチック容器の内面に薄膜を形成させる方法について図１（ｂ）及び図２で説明すると、被処理物である中空状のプラスチック容器（３０）は容器搬入部（２１）を経由して、開いている天蓋部（５２）から開口部（３０ａ）側を下にした倒立状態で、真空チャンバー（５０）内の容器支持板（５４、５５）上に設置される。その後、天蓋（５２）が閉められ、中空容器（３０）が設置された真空チャンバー（５０）を有する真空成膜部は回転移動しながら、真空ポンプ（５６）で真空チャンバー（５０）内が真空排気された後に、成膜用ガス（６０）が中空の内部電極兼ガス導入管（５７）から導入される。真空チャンバー（５０）を有する真空成膜部が回転移動して、金属板Ｂ（１３ａ）が金属板Ａ（１２）と対向する位置まで来ると、前記金属板Ａ（１２）と金属板Ｂ（１３ａ）がコンデンサーの役割を果たし、高周波電源（１０）から電力をコイル状外部電極（５９）に供給可能な状態となり、金属板Ａ（１２）と金属板Ｂ（１３ａ）が対向している間に薄膜の成膜処理を行う。成膜処理を行った後、真空成膜部の真空チャンバー（５０）の天蓋部（５２）を開けて、成膜後のプラスチック容器（３１）は真空チャンバー（５０）から取り出され、容器搬出部（２２）を経由して搬出される。これら一連の動作を複数の真空成膜部を回転移動させながら、次々と全ての真空成膜部において連続して成膜する。従って、多数の容器に高速で成膜処理を行うことができる。本発明の成膜装置を使用すれば、電力の真空成膜部への供給を、金属板Ａと金属板Ｂとを非接触で行うことが可能であるため、真空成膜部を移動させながら成膜しても、金属板Ａと金属板Ｂとの磨耗などの問題を起こすことがなく、効率よく連続的に成膜処理できる。

本発明の誘導結合型プラズマを発生させ、薄膜を形成させる真空成膜部を有する成膜装置を用いた成膜方法について、以下に具体的な実施例に沿って説明する。

図１（ｂ）及び図２に示した構造の成膜装置で、金属板Ａ（１２）と金属板Ｂ（１３ａ）にアルミニウム製の金属板を使用し、２枚の金属板Ａ（１２）及び金属板Ｂ（１３ａ）の対向する部分の面積が３００００ｍｍ2で、金属板Ａ（１２）と金属板Ｂ（１３ａ）間の距離が５ｍｍになるものを使用し、さらにコイル状外部電極（５９）のインピーダンスが０．８＋ｊ９３．５［Ω］になるように設定し、成膜装置の真空チャンバー（５０）内に設置したプラスチック容器内に、成膜用ガス（６０）として、ヘキサメチルジシロキサンを２ｓｃｃｍ及び酸素ガスを５０ｓｃｃｍ供給した。ガスを流した状態で真空ポンプ（５６）でプラスチック容器内（３０）内を１０Ｐａの一定圧力に保った。引き続き、１３．５６ＭＨｚの高周波電力３００Ｗを５秒間印加して、プラズマを発生させ、プラスチック容器の内面に酸化珪素からなる薄膜を形成させた。

上記で得た成膜済みのプラスチック容器の底部、胴部、頚部の内面の３ヶ所の薄膜の厚さを測定した結果、底部２０ｎｍ、胴部２０ｎｍ、頚部２１ｎｍの均一な膜厚を有する薄膜が得られた。

（ａ）は本発明の成膜装置の真空成膜部の一実施形態を示す概要説明図であり、 （ｂ）は本発明の成膜装置の真空成膜部の他の実施形態を示す概要説明図である。 本発明の成膜装置の一実施形態を示す概要図である。

符号の説明

１…成膜装置
１０…高周波電源
１１…インピーダンス整合器
１２…金属板Ａ
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ，１３ｇ，１３ｈ…金属板Ｂ
１４…小空間
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ，２０ｇ，２０ｈ…真空成膜部
２１…容器搬入部
２２…容器搬出部
３０…成膜前のプラスチック容器
３１…成膜後のプラスチック容器
４０…外部電極兼真空チャンバー
４１…本体部
４２…天蓋部
４３…排気口部
４４，４５…絶縁性容器支持板
４６…真空ポンプ
４７…内部電極兼ガス導入管
５０…真空チャンバー
５１…本体部
５２…天蓋部
５３…排気口部
５４，５５…容器支持板
５６…真空ポンプ
５７…内部電極兼ガス導入管
５９…コイル状外部電極
６０…成膜用ガス

Claims (3)

1. 中空状のプラスチック容器の内面にプラズマＣＶＤ法で薄膜を形成させるロータリー型の成膜装置において、高周波電源と、高周波電源に接続されたインピーダンス整合器と、インピーダンス整合器に接続された所定形状の金属板Ａと、円状に配置された複数の真空成膜部と、真空成膜部の外部電極に接続された所定形状の金属板Ｂとを備えており、成膜装置の回転に伴って前記真空成膜部が金属板Ａの位置にきた時に、金属板Ａと金属板Ｂが近接し、小空間を介して対向することにより、金属板Ａと金属板Ｂがコンデンサーの作用をして非接触状態で電力を供給できるように金属板Ａと真空成膜部に接続された金属板Ｂが配置されていることを特徴とする成膜装置。
2. 前記真空成膜部が、容量結合型プラズマ若しくは誘導結合型プラズマを発生させて薄膜を形成させるものからなることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
3. 請求項１又は請求項２記載の成膜装置を用いて、真空成膜部内に中空状のプラスチック容器を挿入後に、装置を回転させ、プラスチック容器が挿入された真空成膜部が金属板Ａの位置にきた時に、ガス導入管から成膜用ガスを導入すると共に、該金属板Ａと真空成膜部に接続された金属板Ｂとで構成されるコンデンサーを介して真空成膜部の外部電極へ電力を印加してプラズマを発生させ、プラスチック容器の内面に薄膜を形成させることを特徴とする成膜方法。
   

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