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JP6161053B2 - Vapor deposition source and fine particle forming device - Google Patents
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JP6161053B2 - Vapor deposition source and fine particle forming device - Google Patents

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JP6161053B2 JP2012214671A JP2012214671A JP6161053B2 JP 6161053 B2 JP6161053 B2 JP 6161053B2 JP 2012214671 A JP2012214671 A JP 2012214671A JP 2012214671 A JP2012214671 A JP 2012214671A JP 6161053 B2 JP6161053 B2 JP 6161053B2
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正道 松浦
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Description

本発明は、燃料電池触媒、光触媒、排ガス触媒などを取り扱う自動車産業、エネルギー産業、家電産業化学工業など広範囲な技術分野に用いられる蒸着源および微粒子形成装置に関するものである。   The present invention relates to an evaporation source and a fine particle forming apparatus used in a wide range of technical fields such as the automobile industry, energy industry, home appliance industrial chemical industry, and the like that handle fuel cell catalysts, photocatalysts, exhaust gas catalysts, and the like.

従来燃料電池触媒、光触媒、排ガス触媒などに用いる触媒は、貴金属などなどの地金を粉末状にして、溶融塩を生成し、そのスラリーを用いてコーティング担持するという複雑な湿式法で作られている。
しかるに最近アークプラズマ蒸発法を用いて真空ないしは低圧のガス雰囲気中で直接ナノ粒子を作成し基材に担持するという乾式法が注目を浴びている。この方法は従来の湿式法に較べ、触媒を製造・担持するプロセスが極めて簡便な画期的な方法である。
Conventional catalysts used for fuel cell catalysts, photocatalysts, exhaust gas catalysts, etc. are made by a complex wet method in which a metal such as a precious metal is powdered, a molten salt is produced, and the slurry is used to carry a coating. Yes.
However, recently, a dry method in which nanoparticles are directly produced and supported on a substrate in a vacuum or low-pressure gas atmosphere using an arc plasma evaporation method has attracted attention. This method is an epoch-making method in which the process for producing and supporting the catalyst is extremely simple as compared with the conventional wet method.

このアークプラズマ蒸発法で燃料電池触媒、光触媒、排ガス触媒などに用いるNb,Ta,Ti、Zrなど窒化物や炭窒化物のナノ微粒子をアークプラズマ法(以下APD法)で作る際、これらの金属あるいは金属炭化物のロッドでターゲットを作成し、パルス放電させこれらのプラズマを作り、同時にNガスをチャンバより導入して、板状基板あるいはカーボンブラックなどの粉体の基材上に窒化物や炭窒化物のナノ微粒子を作成している。この場合N2ガスはチャンバより導入していた。 When using the arc plasma evaporation method to produce nitride or carbonitride nanoparticles such as Nb, Ta, Ti, and Zr used for fuel cell catalysts, photocatalysts, exhaust gas catalysts, etc. Alternatively, a target is prepared with a rod of metal carbide, pulsed to generate these plasmas, and N 2 gas is introduced from the chamber at the same time, and a nitride or carbon is formed on a powder substrate such as a plate substrate or carbon black. Nitride nanoparticles are being created. In this case, N2 gas was introduced from the chamber.

特開2007−204810号公報JP 2007-204810 A

しかしながら、上述した従来の手法では化合物のナノ粒子や膜中に酸素の混入をさけることが難しい。
また、チャンバを十分ベーキングし、基材の粉を加熱したり真空中で保持したりして十分脱水させても酸素の混入を避けることは困難である。そのため、これらの誘電体膜(透明、絶縁性)が生じてしまい、触媒機能を十分に発現させることできない場合があるという問題がある。
However, it is difficult to avoid oxygen contamination in the compound nanoparticles and film by the conventional method described above.
In addition, it is difficult to avoid mixing oxygen even if the chamber is sufficiently baked and the powder of the substrate is heated or held in a vacuum to sufficiently dehydrate it. Therefore, these dielectric films (transparent and insulating) are generated, and there is a problem that the catalytic function may not be sufficiently exhibited.

本発明は、上述した従来の問題点を解決するためのものであり、ターゲットの膜やナノ粒子の酸化を抑制することができる蒸着源および微粒子形成装置を提供することを目的とする。   The present invention is for solving the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a vapor deposition source and a fine particle forming apparatus capable of suppressing oxidation of a target film and nanoparticles.

上述した従来技術の問題点を解決し、上述した目的を達成するために本発明の蒸着源は、円筒状のアノード電極と、円状のカソード電極と、円筒状のトリガ電極と、前記カソード電極に接続された蒸着材料と、前記蒸着材料と前記トリガ電極との間に配置された絶縁碍子とを有し、前記蒸着材料は、前記トリガ電極に近接した位置に配置され、前記トリガ電極に電圧を印加すると、当該トリガ電極と前記蒸着材料との間にトリガ放電による電子が発生し、当該電子がトリガとなって前記アノード電極と前記蒸着材料との間にアーク放電が誘起され、前記蒸着材料の構成物質が蒸発するように構成された蒸着源であって、前記円筒状のアノード電極と前記円筒状のトリガ電極との間の空間内の前記蒸着材料に対して被蒸着体と反対側に、当該空間の外部から水素ガスを導入する導入路の噴出口が位置している。

To solve the problems of the prior art described above, the evaporation source of the present invention in order to achieve the object described above, a cylindrical anode electrode, and a circle cylindrical cathode, a cylindrical trigger electrode, said cathode A vapor deposition material connected to an electrode; and an insulator disposed between the vapor deposition material and the trigger electrode. The vapor deposition material is disposed at a position close to the trigger electrode, and is disposed on the trigger electrode. When a voltage is applied, electrons due to trigger discharge are generated between the trigger electrode and the vapor deposition material, and the electron triggers an arc discharge between the anode electrode and the vapor deposition material. A vapor deposition source configured to evaporate a constituent material of the material, wherein the vapor deposition material in a space between the cylindrical anode electrode and the cylindrical trigger electrode is opposite to the deposition target The Spout inlet channel for introducing the hydrogen gas from the outside between are located.

本発明の蒸着源では、前記円筒状のアノード電極と前記円筒状のトリガ電極との間の空間内に、当該空間の外部から水素ガスを導入する導入路の噴出口が位置しているため、当該空間内に水素ガスが効率的に充満し、膜やナノ粒子の酸化を効果的に抑制できる。   In the vapor deposition source of the present invention, since the jet port of the introduction path for introducing hydrogen gas from the outside of the space is located in the space between the cylindrical anode electrode and the cylindrical trigger electrode, The space can be efficiently filled with hydrogen gas, and the oxidation of the film and nanoparticles can be effectively suppressed.

好適には、本発明の蒸着源は、窒素、アルゴンおよび炭化水素の少なくとも一つの反応ガスと前記水素ガスとの混合ガスが前記噴出口から噴出される。
好適には、本発明の蒸着源は、前記混合ガス内での前記水素ガスの分圧は0.1Pa〜50Paである。
Preferably, in the vapor deposition source of the present invention, a mixed gas of at least one reaction gas of nitrogen, argon and hydrocarbon and the hydrogen gas is ejected from the ejection port.
Preferably, in the vapor deposition source of the present invention, the partial pressure of the hydrogen gas in the mixed gas is 0.1 Pa to 50 Pa.

本発明の微粒子形成装置は、蒸着源と、前記蒸着源の蒸着材料から発生したイオン化された微粒子が蒸着される被蒸着体を保持する被蒸着体保持手段を有し、前記蒸着源は、円筒状のアノード電極と、円状のカソード電極と、円筒状のトリガ電極と、前記カソード電極に接続された蒸着材料と、前記蒸着材料と前記トリガ電極との間に配置された絶縁碍子とを有し、前記蒸着材料は、前記トリガ電極に近接した位置に配置され、前記トリガ電極に電圧を印加すると、当該トリガ電極と前記蒸着材料との間にトリガ放電による電子が発生し、当該電子がトリガとなって前記アノード電極と前記蒸着材料との間にアーク放電が誘起され、前記蒸着材料の構成物質が蒸発するように構成された蒸着源であって、前記円筒状のアノード電極と前記円筒状のトリガ電極との間の空間内の前記蒸着材料に対して前記被蒸着体と反対側に、当該空間の外部から水素ガスを導入する導入路の噴出口が位置している。
Particle formation apparatus of the present invention includes a deposition source, the deposition object holding means for holding the deposition target fine particles ionized generated from the vapor deposition material of the deposition source is deposited, the deposition source is cylindrical and Jo anode electrode, and a circle cylindrical cathode, a cylindrical trigger electrode, a deposition material connected to the cathode electrode, and arranged the insulator between the trigger electrode and the deposition material And the vapor deposition material is disposed at a position close to the trigger electrode, and when a voltage is applied to the trigger electrode, electrons due to trigger discharge are generated between the trigger electrode and the vapor deposition material. An evaporation source configured such that an arc discharge is induced between the anode electrode and the deposition material as a trigger, and a constituent material of the deposition material evaporates, and the cylindrical anode electrode and the circle On the opposite side of the deposition object with respect to the deposition material in the space between the Jo trigger electrodes, spout inlet channel for introducing the hydrogen gas from the outside of the space are positioned.

本発明によれば、被蒸着体の膜やナノ粒子の酸化を抑制することができる蒸着源および微粒子形成装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the vapor deposition source and fine particle formation apparatus which can suppress the oxidation of the film | membrane and nanoparticle of a to-be-deposited body can be provided.

図1は、本発明の実施形態に係る同軸型真空アーク蒸着源を用いた微粒子形成装置の模式図である。FIG. 1 is a schematic view of a fine particle forming apparatus using a coaxial vacuum arc deposition source according to an embodiment of the present invention. 図2は、図1に示す同軸型真空アーク蒸着源の構成を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of the coaxial vacuum arc deposition source shown in FIG.

以下、本発明の実施形態に係わる微粒子形成装置について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, a fine particle forming apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、同軸型真空アーク蒸着源5を用いた微粒子形成装置1の模式図である。
図2は、図1に示す同軸型真空アーク蒸着源5の構成を説明するための図である。
図1に示す真空チャンバ2は、円筒状をしている。
真空チャンバ2内には、被蒸着体保持部4および同軸型真空アーク蒸着源5が収納されている。
被蒸着体保持部4には、同軸型真空アーク蒸着源5からのイオン化された微粒子が蒸着される基板あるいは基材である被蒸着体3が着脱自在に保持される。
FIG. 1 is a schematic view of a fine particle forming apparatus 1 using a coaxial vacuum arc vapor deposition source 5.
FIG. 2 is a view for explaining the configuration of the coaxial vacuum arc deposition source 5 shown in FIG.
A vacuum chamber 2 shown in FIG. 1 has a cylindrical shape.
In the vacuum chamber 2, a deposition target holder 4 and a coaxial vacuum arc deposition source 5 are accommodated.
The vapor deposition body holding unit 4 detachably holds the vapor deposition body 3 which is a substrate or base material on which ionized fine particles from the coaxial vacuum arc vapor deposition source 5 are vapor deposited.

同軸型真空アーク蒸着源5では、図2に示すように、アーク放電の発生するアノード円筒内にNなどの反応性ガスを導入するガスライン101を設け、そのガスライン101よりNガスなどの反応性ガスおよびHガスを導入してターゲット3をパルス的にアーク放電させることにより、酸素の混入の少ない化合物のナノ粒子あるいは化合物の膜を形成することを可能となる。
ガスライン101は、図示しないガス供給源からガスの供給を受けている。
In coaxial vacuum arc evaporation source 5, as shown in FIG. 2, the gas line 101 for introducing a reactive gas such as N 2 in the anode cylinder to generation of an arc discharge is provided, from its gas line 101 N 2 gas, etc. The reactive gas and H 2 gas are introduced to cause arc discharge of the target 3 in a pulsed manner, whereby it becomes possible to form a compound nanoparticle or a compound film with little oxygen contamination.
The gas line 101 is supplied with a gas from a gas supply source (not shown).

ナノ粒子や金属膜などに酸素が混入する原因はおもにチャンバ壁・チャンバ内構成物および基材となるカーボンブラックなどの粉体に吸着している水分HOや残留ガス中の酸素ガスOと考えられる。
(1)1/2O[M]
(2)HO=1/2O+H
あるいはHO=[M]+H
ここで、[M]は真空チャンバ2の内壁に吸着していることをを示している。
The reason why oxygen is mixed into the nanoparticles or the metal film is mainly due to the moisture H 2 O adsorbed on the powder such as carbon black as the chamber wall, the components in the chamber and the base material, or the oxygen gas O 2 in the residual gas. it is conceivable that.
(1) 1 / 2O 2 = O [M]
(2) H 2 O = 1 / 2O 2 + H 2
Or H 2 O = O [M] + H 2
Here, [M] indicates that it is adsorbed on the inner wall of the vacuum chamber 2.

このため従来の手法では、真空チャンバ2を十分ベーキングし、基材の粉を加熱したり真空中で保持したりして十分脱水させても、Nガスを導入してプラズマを立てると壁や粉体中に吸着して水分がプラズマでたたき出され、新たな酸素源となることを発明者は見出した。
さらにナノ粒子固有の問題として、ナノ粒子は非常に界面活性であり酸素を取り込みやすいという点があることも当該発明者は見出した。
ナノ粒子や金属膜などへの酸素を取り込むのを防ぐには上記式(1)、(2)における反応雰囲気(真空壁、粉体など)中の酸素ガスや水分の分圧を下げるか、還元剤であるHの分圧を上げることが考えられる。Hの分圧を上げるには真空チャンバ2内にHガスを導入し、さらにはHガスを活性化させるためHガスを強く励起させること(H分圧を上げることに対応)が必要である。
For this reason conventional method, the vacuum chamber 2 sufficiently baked, also be sufficiently dehydrated with or held in a vacuum or by heating the powder of the base material, the wall Ya when the plasma operation by introducing N 2 gas The inventor has found that moisture adsorbs in the powder and is blown out by plasma to become a new oxygen source.
Furthermore, the inventor has also found that as a problem inherent to nanoparticles, the nanoparticles are very surface active and easily incorporate oxygen.
In order to prevent oxygen from being taken into nanoparticles or metal films, the partial pressure of oxygen gas or moisture in the reaction atmosphere (vacuum wall, powder, etc.) in the above formulas (1) and (2) is reduced or reduced. It is conceivable to increase the partial pressure of H 2 as an agent. To increase the partial pressure of H 2 is introduced H 2 gas into the vacuum chamber 2, more (corresponding to increasing the H 2 partial pressure) be excited strongly H 2 gas for activating the H 2 gas is necessary.

同軸型真空アーク蒸着源5におけるプラズマの火点は蒸着材料11上端面およびその周囲近傍である。トリガー電極13とカソード電極12に接続されている蒸着材料11の間に約−3kVの高電圧を印加すると蒸着材料11とトリガー電極13にはさまれた低抵抗アルミナの上端面に沿面放電が走り蒸着材料11側からいくつかの電子が発生しそれがトリガーになって蒸着材料11(カソード)と周囲のアノード電極23の間にアーク放電が発生する。
従ってアーク放電が起こる蒸着材料11上端面およびその近傍周囲が火点となっている。ここを目掛けてガスを流せばガスは激しく励起されることになる。
従ってナノ粒子中あるいは膜中の酸素を下げるには、本実施形態のように、ガスライン101を使って、この火点であるアノード電極23とトリガ電極13との間の空間にHガスを導入できる仕組みを作ることが有効である。
The plasma fire point in the coaxial vacuum arc deposition source 5 is the upper end surface of the deposition material 11 and the vicinity thereof. When a high voltage of about −3 kV is applied between the vapor deposition material 11 connected to the trigger electrode 13 and the cathode electrode 12, creeping discharge runs on the upper end surface of the low resistance alumina sandwiched between the vapor deposition material 11 and the trigger electrode 13. Some electrons are generated from the vapor deposition material 11 side, and this triggers an arc discharge between the vapor deposition material 11 (cathode) and the surrounding anode electrode 23.
Accordingly, the upper end surface of the vapor deposition material 11 where arc discharge occurs and the vicinity of the vapor deposition material 11 are fire points. If gas is made to flow here, the gas will be excited violently.
Accordingly, in order to lower the oxygen in the nanoparticles or in the film, H 2 gas is introduced into the space between the anode electrode 23 and the trigger electrode 13, which is the fire point, using the gas line 101 as in this embodiment. It is effective to create a mechanism that can be introduced.

図2に示すように、同軸型真空アーク蒸着源5では、アノード電極23の内周面とトリガ電極13の外周面との間の領域201に、真空チャンバ2の外部からのガスライン101の先端部101aを位置させている。
ガスライン101を介して真空チャンバ2の外部からHが領域201内に先端部101aから流入する。
ガスライン101としては、例えば、同軸型真空アーク蒸着源5を支える複数本(例えば3本)の支柱の1本を利用し、それを中空構造したものを用いる。
またNガスによる窒化の反応はO2ガスによる酸化反応よりマイルドであるのでNガスもガスライン101を利用して真空チャンバ2内に導入できるようにした。
すなわち、本実施形態では、ガスライン101を介してNとHとの混合ガスを流入する。
ここで、当該混合ガス内でのHガスの分圧は、例えば0.1Pa〜50Paが望ましい。0.1Pa以上としたのは、0.1Pa未満であると還元作用が不十分となるという不都合があることが確認されている。また、50Pa以下としたのは50Paを超えると水素プラズマの放電が不安定になるという不都合があることが確認されている。
As shown in FIG. 2, in the coaxial vacuum arc deposition source 5, the tip of the gas line 101 from the outside of the vacuum chamber 2 is located in a region 201 between the inner peripheral surface of the anode electrode 23 and the outer peripheral surface of the trigger electrode 13. The part 101a is located.
H 2 flows from the outside of the vacuum chamber 2 through the gas line 101 into the region 201 from the tip 101a.
As the gas line 101, for example, one of a plurality of (for example, three) support columns that support the coaxial vacuum arc deposition source 5 is used and a hollow structure is used.
The reaction of nitride by N 2 gas was set to be introduced into the vacuum chamber 2 by using the N 2 gas is also a gas line 101 because it is milder than oxidation with O2 gas.
That is, in the present embodiment, a mixed gas of N 2 and H 2 flows through the gas line 101.
Here, the partial pressure of the H 2 gas in the mixed gas is preferably 0.1 Pa to 50 Pa, for example. It has been confirmed that the reason why the pressure is set to 0.1 Pa or more is that the reduction action is insufficient when the pressure is less than 0.1 Pa. Further, it has been confirmed that the reason why the pressure is 50 Pa or less is that the discharge of hydrogen plasma becomes unstable when the pressure exceeds 50 Pa.

ガスライン101の数は、図2に示すように単数であっても、複数であってもよい。また、複数のガスライン101を設け、NガスとHガスとを異なるガスライン101から噴出するようにしてもよい。
The number of gas lines 101 may be singular or plural as shown in FIG. A plurality of gas lines 101 may be provided, and N 2 gas and H 2 gas may be ejected from different gas lines 101.

アノード電極23内にHガスを導入することにより、膜やナノ粒子の酸化を抑制しすることが出来た。また同時にNガスもこのガスラインを経由して導入することによりNガスがプラズマにより十分励起され、酸化のない十分窒化しているNb、Ta,Ti、Zrなど窒化物や炭窒化物の膜やナノ微粒子を形成できる。 By introducing H 2 gas into the anode electrode 23, the oxidation of the film and the nanoparticles could be suppressed. At the same time, N 2 gas is also introduced through this gas line, so that N 2 gas is sufficiently excited by plasma and is sufficiently nitrided without oxidation, such as nitrides or carbonitrides such as Nb, Ta, Ti, and Zr. Films and nanoparticles can be formed.

同軸型真空アーク蒸着源5は、ステンレスが筒状に形成されているアノード電極23を有している。   The coaxial vacuum arc deposition source 5 has an anode electrode 23 in which stainless steel is formed in a cylindrical shape.

同軸型真空アーク蒸着源5は、カソード電極12と、蒸着材料11と、トリガ電極13と絶縁碍子14とを有している。   The coaxial vacuum arc deposition source 5 includes a cathode electrode 12, a deposition material 11, a trigger electrode 13, and an insulator 14.

上述したアノード電極23の内部側面には、円板状のベースフランジ(図示せず)の端部が固定されており、カソード電極12は、円筒状をしており、このベースフランジ(図示せず)と絶縁された状態で、ベースフランジ(図示せず)の表面側に配置されている。   An end portion of a disk-shaped base flange (not shown) is fixed to the inner side surface of the anode electrode 23 described above, and the cathode electrode 12 has a cylindrical shape, and this base flange (not shown). ) And in a state of being insulated from the base flange (not shown).

蒸着材料11は、円柱状に形成された蒸発部分と、特に図示しない一端をカソード電極12にクランプされて接続されている。   The vapor deposition material 11 is connected to the evaporation portion formed in a columnar shape, with one end (not shown) being clamped to the cathode electrode 12.

蒸着材料11の周囲には、絶縁碍子14及びその周囲に配置されたリング状のトリガ電極13が配置されている。この絶縁碍子14は、円筒状の部分とつばの部分から構成されており、その形状からハット型碍子と呼称する。
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11との両方と絶縁されている。
Around the vapor deposition material 11, an insulator 14 and a ring-shaped trigger electrode 13 arranged around the insulator 14 are arranged. The insulator 14 is composed of a cylindrical portion and a collar portion, and is called a hat-type insulator because of its shape.
The trigger electrode 13 is insulated from both the cathode electrode 12 and the vapor deposition material 11 by the hat-type insulator 14.

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。   One end of a trigger wiring 21 is connected to the trigger electrode 13.

このように、トリガ配線21、カソード電極12、アノード電極23は、真空チャンバ2の内部に収納され、これらのカソード電極12、トリガ配線21及びアノード電極23は、取付フランジを気密に挿通して配置された電流導入端子の一端にそれぞれ接続されている。各電流導入端子の他端は真空チャンバ2の外部に露出しており、ともに真空チャンバ2の外部に配置された電源装置6と接続されている。   As described above, the trigger wiring 21, the cathode electrode 12, and the anode electrode 23 are accommodated in the vacuum chamber 2, and the cathode electrode 12, the trigger wiring 21, and the anode electrode 23 are arranged in an airtight manner through the mounting flange. Connected to one end of each of the current introduction terminals. The other end of each current introduction terminal is exposed to the outside of the vacuum chamber 2, and both are connected to the power supply device 6 disposed outside the vacuum chamber 2.

電源装置6は、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は、トリガ電極13に、蒸着材料11に対して約3kV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に対して、蒸着材料11に400Vの負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720μFの容量を持ち、アーク電源32によって充電される。   The power supply device 6 includes a trigger power supply 31, an arc power supply 32, and a capacitor unit 33. The trigger power supply 31 is configured to apply a positive pulse voltage of about 3 kV to the vapor deposition material 11 to the trigger electrode 13. On the other hand, the arc power source 32 is configured to apply a negative DC voltage of 400 V to the vapor deposition material 11 with respect to the anode electrode 23. The capacitor unit 33 has a capacity of 720 μF and is charged by the arc power supply 32.

上記のような構成の微粒子形成装置1を用いて、基板表面に薄膜を形成する場合には、まず、真空チャンバ2内を高真空雰囲気にしておく。   In the case of forming a thin film on the substrate surface using the fine particle forming apparatus 1 having the above-described configuration, first, the inside of the vacuum chamber 2 is set in a high vacuum atmosphere.

次いで、アーク電源32により、アノード電極23に対して、蒸着材料11に400V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に約3kVの正のパルス電圧を印加する。   Next, a negative DC voltage of 400 V is applied to the vapor deposition material 11 with respect to the anode electrode 23 by the arc power source 32. In this state, the trigger power supply 31 is activated and a positive pulse voltage of about 3 kV is applied to the trigger electrode 13.

すると、蒸着材料11の表面とトリガ電極13の表面との間に絶縁碍子14の円筒状部分の厚み分の距離(約1mm)を介して印加することで絶縁碍子14の表面でトリガ放電となる沿面放電が発生する。このトリガ放電によって、蒸着材料11の表面から蒸着材料
11の構成物質が蒸発し、蒸気や、イオンや電子等が発生する。また、蒸着材料11と絶縁碍子14のつなぎ目から電子が発生する。
Then, a trigger discharge is generated on the surface of the insulator 14 by applying a distance (about 1 mm) corresponding to the thickness of the cylindrical portion of the insulator 14 between the surface of the vapor deposition material 11 and the surface of the trigger electrode 13. Creeping discharge occurs. By this trigger discharge, the constituent material of the vapor deposition material 11 is evaporated from the surface of the vapor deposition material 11, and vapor, ions, electrons, and the like are generated. Electrons are generated from the joint between the vapor deposition material 11 and the insulator 14.

それらの蒸気、イオン、電子等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11との間の絶縁耐圧が低下すると、コンデンサユニット33に充電された電荷よって、蒸着材料11とアノード電極23との間でアーク放電が発生する。アーク放電により、蒸着材料11に多量の電流が流入し、ジュール熱により蒸着材料11が蒸発すると、正電荷を有する荷電微粒子が、蒸着材料11の側面からアノード電極23に向けて大量に放出される。   When the pressure in the anode electrode 23 rises due to the vapor, ions, electrons, etc., and the dielectric strength voltage between the anode electrode 23 and the vapor deposition material 11 decreases, the charge charged in the capacitor unit 33 causes the vapor deposition material 11 and Arc discharge occurs between the anode electrode 23 and the anode electrode 23. When a large amount of current flows into the vapor deposition material 11 due to the arc discharge and the vapor deposition material 11 evaporates due to Joule heat, a large amount of charged fine particles having a positive charge are emitted from the side surface of the vapor deposition material 11 toward the anode electrode 23. .

かかるアーク放電によって生じたアーク電流により、アノード電極23内に磁場が形成される。その磁場は、正電荷を有する粒子に対し、アノード電極23の開口部方向に押しやる力を及ぼすので、アノード電極23に向けて放出された荷電微粒子は、真空チャンバ2内に放出され、被蒸着体3の表面に向かって噴射される。   A magnetic field is formed in the anode electrode 23 by the arc current generated by the arc discharge. Since the magnetic field exerts a force to push the positively charged particles in the direction of the opening of the anode electrode 23, the charged fine particles emitted toward the anode electrode 23 are emitted into the vacuum chamber 2, and the vapor deposition target 3 is injected toward the surface.

[同軸型真空アーク蒸着源5の動作例]
アーク電源32により、放電電圧100Vで電荷を充電しておく。ここで、コンデンサユニット33は、720μFとする。
トリガ電極13にトリガ電源31からの3.4kVのトリガパルスを印加し、カソード電極に取付けられた蒸着材料11とトリガ電極13の間に、ハット型碍子14を介して印加することで、ハット型碍子14表面で沿面放電が発生し、蒸着材料11とアノード電極23との間でコンデンサユニット33に蓄電された電荷が放電され、カソード電極に多量の電流が流入し、カソード電極に取付けられた蒸着材料11が液相から気相、さらにプラズマが形成される。
[Operation example of coaxial vacuum arc deposition source 5]
Electric charges are charged at a discharge voltage of 100 V by the arc power source 32. Here, the capacitor unit 33 is 720 μF.
By applying a trigger pulse of 3.4 kV from the trigger power supply 31 to the trigger electrode 13 and applying it between the vapor deposition material 11 attached to the cathode electrode and the trigger electrode 13 via the hat-type insulator 14, a hat-type Creeping discharge occurs on the surface of the insulator 14, the charge stored in the capacitor unit 33 is discharged between the deposition material 11 and the anode electrode 23, a large amount of current flows into the cathode electrode, and the deposition attached to the cathode electrode. The material 11 is formed from the liquid phase to the gas phase and further plasma.

この時、カソード電極に多量の電流(2000A〜5000A)が、200μS〜500μSの間に流れるので、カソード電極に取付けられた蒸着材料11に磁場が形成される。プラズマ中の電子が、カソード電極に取付けられた蒸着材料11の形成した磁場によるローレンツ力を受けて、同軸型真空アーク蒸着源5の前方へ飛行するようになる。   At this time, since a large amount of current (2000 A to 5000 A) flows in the cathode electrode between 200 μS and 500 μS, a magnetic field is formed in the vapor deposition material 11 attached to the cathode electrode. Electrons in the plasma fly under the coaxial vacuum arc deposition source 5 under the Lorentz force generated by the magnetic field formed by the deposition material 11 attached to the cathode electrode.

プラズマ中の蒸着材料である例えば白金イオンは、分極することで、同軸型真空アーク蒸着源5の前方へ飛行する電子にクーロン力で引き付けられるようにして同軸型真空アーク蒸着源5の前方へ飛行するようになる。   For example, platinum ions, which are vapor deposition materials in the plasma, are polarized so that they are attracted to the electrons flying to the front of the coaxial vacuum arc deposition source 5 by Coulomb force and fly to the front of the coaxial vacuum arc deposition source 5. To come.

その結果、荷電微粒子のイオンは、被蒸着体3上で凝集し、ナノメートル単位の粒子が形成される。   As a result, the ions of the charged fine particles are aggregated on the deposition target 3 to form nanometer-scale particles.

以下、実施例を説明する。
ターゲット3にNbCを用い、N2ガスあるいはN+Hガスをガスラインよりアノード内に直接導入し、放電電圧:100V,コンデンサー容量:720μF,で12000ショットを5HZで放電しSiウエハ基板および透明なガラス基板3上にNbCN膜を成膜した。
基板3はアノード電極23の前方80mmの位置に置いた。その時の膜の外観およびシート抵抗を表1に示す。
Examples will be described below.
Using NbC the target 3, the N2 gas or N 2 + H 2 gas was introduced directly into the anode from the gas line, discharge voltage: 100 V, the capacitor capacitance: 720MyuF, in the discharged Si wafer substrates and transparent 12000 shots 5HZ An NbCN film was formed on the glass substrate 3.
The substrate 3 was placed at a position 80 mm in front of the anode electrode 23. Table 1 shows the appearance and sheet resistance of the film at that time.

表1 成膜条件および成膜した膜の外観およびシート抵抗   Table 1 Film formation conditions, film appearance and sheet resistance

NbCおよびNbNは何れもメタルで生成されるNbCN膜も比抵抗40〜60μΩ・cm程度の黒いメタル膜と考えられる。
しかるにNのみで放電した膜はいずれもこげ茶の半透明の膜でシート抵抗も1〜30kΩ/□と高くなっていた。
これはNのみ添加した場合、真空チャンバ2内の壁に吸着していた水分がNプラズマでたたかれて膜中に酸素[O]が混入して誘電体に近い膜が出来ていることを示している。
NbCN and NbN are both considered to be black metal films having a specific resistance of about 40 to 60 μΩ · cm.
However, the films discharged only with N 2 were all dark brown translucent films, and the sheet resistance was as high as 1 to 30 kΩ / □.
This is because when only N 2 is added, the moisture adsorbed on the wall in the vacuum chamber 2 is struck by the N 2 plasma, and oxygen [O] is mixed into the film to form a film close to a dielectric. It is shown that.

他方、Hを同時添加場合、堆積した膜は黒い膜でシート抵抗も50〜60Ω/□とさがっていた。このことはこの条件で堆積した膜はNbCNのメタル膜ができていることを示している。従ってアークプラズマの支柱の1本にガスライン101を設けH2ガスをアノード電極23内に直接導入することにより、膜中の[O]量を劇的に下げることが可能であることを良く示している。
これはNbCターゲットの窒化の例であるが、TiターゲットをN2ガス雰囲気で放電してTを作成した場合も同様な結果が得られている。ちなみにこの場合N2ガスのみであると出来たTiN(O)膜の組成はTi=29%、N=27%,O=31%と[O]が膜中に大量に混入していた(膜のXPS分析結果)。
On the other hand, when H 2 was added at the same time, the deposited film was a black film and the sheet resistance was 50-60 Ω / □. This indicates that the film deposited under these conditions is an NbCN metal film. Therefore, it is well shown that the amount of [O] in the film can be drastically reduced by providing the gas line 101 on one of the arc plasma struts and directly introducing the H2 gas into the anode electrode 23. Yes.
This is an example of nitriding an NbC target, but the same result is obtained when T is produced by discharging a Ti target in an N 2 gas atmosphere. Incidentally, in this case, the composition of the TiN (O) film, which was made of only N2 gas, was Ti = 29%, N = 27%, O = 31%, and [O] was mixed in the film in a large amount (film thickness). XPS analysis results).

微粒子形成装置1によれば、同軸型真空アーク蒸着源5のアノード電極23内にガスライン101を介してHガスを導入することにより、膜やナノ粒子の酸化を抑制しすることができる。
また、微粒子形成装置1によれば、ガスライン101を介して同時にNガスもアノード電極23内に導入することにより酸化のない十分窒化しているNb、Ta,Ti,Zrなど窒化物や炭窒化物の膜やナノ微粒子を形成できる。
According to the fine particle forming apparatus 1, oxidation of the film and nanoparticles can be suppressed by introducing H 2 gas into the anode electrode 23 of the coaxial vacuum arc deposition source 5 through the gas line 101.
In addition, according to the fine particle forming apparatus 1, N 2 gas is also introduced into the anode electrode 23 through the gas line 101 at the same time, and thus nitride and carbon such as Nb, Ta, Ti, and Zr that are sufficiently nitrided without being oxidized. Nitride films and nanoparticles can be formed.

本発明は上述した実施形態には限定されない。
すなわち、当業者は、本発明の技術的範囲またはその均等の範囲内において、上述した実施形態の構成要素に関し、様々な変更、コンビネーション、サブコンビネーション、並びに代替を行ってもよい。
また、上述した実施形態では、ガスライン101を介してHガスとNガスの混合ガスを流入する場合を例示したが、あるいはHと炭化水素の混合ガスを流入するようにしてもよい。
The present invention is not limited to the embodiment described above.
That is, those skilled in the art may make various modifications, combinations, subcombinations, and alternatives regarding the components of the above-described embodiments within the technical scope of the present invention or an equivalent scope thereof.
Further, in the above embodiment, a case has been exemplified flowing a mixed gas of H 2 gas and N 2 gas through the gas line 101, or may be flowing a mixed gas of between H 2 hydrocarbons .

その他の実施例では金属およびカーボンの2本のターゲットを用いて金属の炭化物の膜を作る際、ガスライン101を介してアノード近傍にArとHの混合ガスを導入すると金属炭素膜の参加防止にも有効である。
なおこれらの実施例では膜の作成に利用したが、ナノ粒子、アイランド作成においても利用できることはいうまでもない。
In another embodiment, when forming a metal carbide film using two targets of metal and carbon, if a mixed gas of Ar and H 2 is introduced near the anode via the gas line 101, the participation of the metal carbon film is prevented. Also effective.
In these examples, the film is used to form a film, but it goes without saying that it can also be used to form nanoparticles and islands.

本発明は、燃料電池触媒、光触媒、排ガス触媒などを取り扱う自動車産業、エネルギー産業、家電産業化学工業など広範囲な技術分野に適用される。   The present invention is applied to a wide range of technical fields such as the automobile industry, energy industry, home appliance industrial chemical industry, etc. that handle fuel cell catalysts, photocatalysts, exhaust gas catalysts, and the like.

1…微粒子形成装置
3…被蒸着体
5…同軸型真空アーク蒸着源
6…電源装置
7…被蒸着体
11…蒸着材料
12…カソード電極
14…絶縁碍子
23…アノード電極
31…トリガ電源
32…アーク電源
33…コンデンサユニット
101…ガスライン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fine particle formation apparatus 3 ... To-be-deposited body 5 ... Coaxial type vacuum arc deposition source 6 ... Power supply device 7 ... To-be-deposited body 11 ... Deposition material 12 ... Cathode electrode 14 ... Insulator 23 ... Anode electrode 31 ... Trigger power supply 32 ... Arc Power supply 33 ... Capacitor unit 101 ... Gas line

Claims (4)

円筒状のアノード電極と、円状のカソード電極と、円筒状のトリガ電極と、前記カソード電極に接続された蒸着材料と、前記蒸着材料と前記トリガ電極との間に配置された絶縁碍子とを有し、
前記蒸着材料は、前記トリガ電極に近接した位置に配置され、
前記トリガ電極に電圧を印加すると、当該トリガ電極と前記蒸着材料との間にトリガ放電による電子が発生し、当該電子がトリガとなって前記アノード電極と前記蒸着材料との間にアーク放電が誘起され、前記蒸着材料の構成物質が蒸発するように構成された蒸着源であって、
前記円筒状のアノード電極と前記円筒状のトリガ電極との間の空間内の前記蒸着材料に対して被蒸着体と反対側に、当該空間の外部から水素ガスを導入する導入路の噴出口が位置している
蒸着源。
A cylindrical anode electrode, and a circle cylindrical cathode, a cylindrical trigger electrode, a deposition material connected to the cathode electrode, and arranged the insulator between the trigger electrode and the deposition material Have
The vapor deposition material is disposed at a position close to the trigger electrode,
When a voltage is applied to the trigger electrode, electrons due to trigger discharge are generated between the trigger electrode and the deposition material, and arc discharge is induced between the anode electrode and the deposition material using the electrons as a trigger. A vapor deposition source configured to evaporate a constituent material of the vapor deposition material,
On the side opposite to the deposition target with respect to the vapor deposition material in the space between the cylindrical anode electrode and the cylindrical trigger electrode, there is a jet port of an introduction path for introducing hydrogen gas from the outside of the space. The deposition source that is located.
窒素、アルゴンおよび炭化水素の少なくとも一つの反応ガスと前記水素ガスとの混合ガスが前記噴出口から噴出される
請求項1に記載の蒸着源。
The vapor deposition source according to claim 1, wherein a mixed gas of at least one reaction gas of nitrogen, argon, and hydrocarbon and the hydrogen gas is ejected from the ejection port.
前記混合ガス内での前記水素ガスの分圧は0.1Pa〜50Paである
請求項2に記載の蒸着源。
The vapor deposition source according to claim 2, wherein a partial pressure of the hydrogen gas in the mixed gas is 0.1 Pa to 50 Pa.
蒸着源と、
前記蒸着源の蒸着材料から発生したイオン化された微粒子が蒸着される被蒸着体を保持する被蒸着体保持手段
を有し、
前記蒸着源は、
円筒状のアノード電極と、円状のカソード電極と、円筒状のトリガ電極と、前記カソード電極に接続された蒸着材料と、前記蒸着材料と前記トリガ電極との間に配置された絶縁碍子とを有し、
前記蒸着材料は、前記トリガ電極に近接した位置に配置され、
前記トリガ電極に電圧を印加すると、当該トリガ電極と前記蒸着材料との間にトリガ放電による電子が発生し、当該電子がトリガとなって前記アノード電極と前記蒸着材料との間にアーク放電が誘起され、前記蒸着材料の構成物質が蒸発するように構成された蒸着源であって、
前記円筒状のアノード電極と前記円筒状のトリガ電極との間の空間内の前記蒸着材料に対して前記被蒸着体と反対側に、当該空間の外部から水素ガスを導入する導入路の噴出口が位置している
微粒子形成装置。
A deposition source;
Has a deposition object holding means for holding the deposition target body ionized particles generated from the vapor deposition material of the deposition source is deposited,
The deposition source is
A cylindrical anode electrode, and a circle cylindrical cathode, a cylindrical trigger electrode, a deposition material connected to the cathode electrode, and arranged the insulator between the trigger electrode and the deposition material Have
The vapor deposition material is disposed at a position close to the trigger electrode,
When a voltage is applied to the trigger electrode, electrons due to trigger discharge are generated between the trigger electrode and the deposition material, and arc discharge is induced between the anode electrode and the deposition material using the electrons as a trigger. A vapor deposition source configured to evaporate a constituent material of the vapor deposition material,
Wherein on the side opposite to the deposition object with respect to the deposition material in the space between the cylindrical anode electrode and the cylindrical trigger electrode, spout inlet channel for introducing the hydrogen gas from the outside of the space The fine particle forming device is located.
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