JP2001234333A

JP2001234333A - 金属プラズマを用いた成膜装置及び方法

Info

Publication number: JP2001234333A
Application number: JP2000378421A
Authority: JP
Inventors: Moritake Tanba; 護武丹波
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1999-12-14
Filing date: 2000-12-13
Publication date: 2001-08-31

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】高エネルギーで指向性の高い金属アークプラ
ズマを用いて広い範囲に均一に高品質のＤＬＣ等を成膜
することができ、かつ、膜質を低下させる液滴を効果的
に除去することができる成膜方法及び装置を提供する。【解決手段】金属プラズマから高エネルギーの円柱状
金属アークプラズマ３８を発生させる金属プラズマ発生
装置２０と、発生した金属アークプラズマを拡径する金
属プラズマ拡径装置１０とを備える。金属プラズマ拡径
装置１０は、例えば円柱状金属アークプラズマ３８を遮
って配置され、かつ電気的に絶縁された金属メッシュ、
あるいは金属メッシュからなる電界電極１２と、電界電
極に高周波電圧を印加する高周波電源１４とからなる。
金属アークプラズマに同伴される液滴は金属メッシュと
衝突してイオン化し、電界により壁面側に移動するか、
或いはメッシュと衝突して捕獲することにより、基板へ
の進入を阻止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマから金属
アークプラズマを発生させ被処理材の表面に薄膜を成膜
する方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】部品の高機能化のために、ＤＬＣ（Ｄｉ
ａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅｃａｒｂｏｎｆｉｌｍ）やＴｉ
Ｎ，ＣＮ等の薄膜を被処理材の表面に成膜する表面加工
技術が産業界で強く要望されている。例えばＤＬＣはカ
ーボンを材料とする薄膜ダイヤモンドであり、（１）プ
ラスチックレンズの表面にコーティングしてスクラッチ
傷を防ぎ、（２）磁気ディスクの表面に成膜して読取り
ヘッドとの接触による磨耗を防ぎ、（３）環境問題化し
ている湿式メッキの代替として優れた耐食性、耐磨耗性
を発揮することができる。

【０００３】上述したＤＬＣ等の成膜手段として、
（１）窒素、アルゴン等のガスフラズマを用いたガスプ
ラズマ法、（２）炭素、チタンなどの金属プラズマを用
いた金属プラズマ法、及び（３）この両方を組合わせた
ハイブリッド法が開発されている。このうち、ガスプラ
ズマ法は、メタン（ＣＨ₄）やアセチレン（Ｃ₂Ｈ₂）を
原料ガスとするため、成膜中に水素（Ｈ）が残存する基
本的が問題があり、このため、ＤＬＣ等の膜質の硬度が
低下する。これに対して、金属プラズマ法では、原料
（陰極材）として純粋なカーボンや金属材料を用いるこ
とができるため、硬度の高い優れた膜ができる特徴があ
る。本発明は、かかる金属プラズマ法に関するものであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】金属プラズマ法による
成膜手段として、従来、アーク放電型金属プラズマイオ
ン源を用いてＤＬＣ，ＴｉＮ，ＣＮ等の薄膜が生成され
ている。しかし従来の成膜手段では、溶けた原料（陰極
材）が微細（直径１μｍ前後）の液滴（スプラッシュ、
マクロパーティクル、ドロップレットと呼ぶ）となって
生成膜に付着し、薄膜の品質（膜質）を悪化させる問題
点がある。

【０００５】この問題点を解決する手段として、例え
ば、特表平６−５０８２３５号、ＰＣＴ／ＦＩ９５／０
０６７７、等が提案されている。特表平６−５０８２３
５号の「アークソース用大粒子フィルター」は、図４に
示すように、円形のカソード２、円筒形のアノード３、
トロイド４及び非線形のプラズマダクト５を備え、トロ
イド状の磁場により荷電粒子を素材８に導き、荷電して
いない液滴を除去するものである。なお、この図で、６
は管、７は標的部域、９は磁気走査コイルである。ま
た、ＰＣＴ／ＦＩ９５／００６７７の“ＦＯＣＵＳＩＮ
ＧＵＮＩＴＦＯＲＡＮＡＲＣＤＩＳＣＨＡＧ
ＥＡＰＰＡＲＡＴＵＳＵＳＥＤＦＯＲＰＬＡＴＩ
ＮＧ" 「メッキ用アーク放電装置のフォーカシングユ
ニット」も、同様にブラズマビームを磁場により曲げ、
同時に陰極表面に半径方向の磁場をかけることによって
陰極点を陰極表面で回転させ液滴を除去するものであ
る。

【０００６】しかし、上述した従来の金属プラズマ法に
よる成膜手段では、磁場によりプラズマを曲げて素材８
に導くために、大型のトロイド４（コイル）を複数用い
る必要があり、その結果、成膜効率が低下し磁場発生設
備（例えばコイル）が大型化し、装置設備が非常に高価
になる問題点があった。

【０００７】本発明はかかる問題点を同時に解決するた
めに創案されたものである。すなわち、本発明の目的
は、高エネルギーで指向性の高い金属アークプラズマを
用いて広い範囲に均一に高品質のＤＬＣ等を成膜するこ
とができ、かつ、膜質を低下させる液滴を効果的に除去
することができる金属プラズマを用いた成膜方法及び装
置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、金属プ
ラズマから高エネルギーの円柱状金属アークプラズマ
（３８）を発生させる金属プラズマ発生装置（２０）
と、発生した金属アークプラズマを拡径する金属プラズ
マ拡径装置（１０）とを備える、ことを特徴とする金属
プラズマを用いた成膜装置が提供される。

【０００９】この構成により、金属プラズマ拡径装置
（１０）により発生した金属アークプラズマを拡径して
被処理材に照射し成膜するので、広い範囲に均一に高品
質のＤＬＣ等を成膜することができる。

【００１０】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
金属プラズマ拡径装置（１０）は、円柱状金属アークプ
ラズマ（３８）を遮って配置され、かつ電気的に絶縁さ
れた金属メッシュである。この構成により、電気的に浮
いた（絶縁された）金属メッシュがアークプラズマ（３
８）の持っている電位と同等となり、飛来プラズマはメ
ッシュの電位のために拡径し、液滴（スプラッシュ）
は、電荷をもっていないために、金属メッシュに衝突し
除去される。

【００１１】本発明の別の好ましい実施形態によれば、
前記金属プラズマ拡径装置（１０）は、金属アークプラ
ズマに電界を負荷する電界電極（１２）と、電界電極に
高周波電圧を印加する高周波電源（１４）とからなる。
この構成により、電界電極（１２）を介して金属アーク
プラズマに高周波の電界を負荷して、指向性の高い金属
アークプラズマの幅を広げることができる。

【００１２】前記電界電極（１２）は、円柱状金属アー
クプラズマ（３８）を遮って配置された金属メッシュで
ある。かかる金属メッシュを電界電極として用いること
により、金属アークプラズマに同伴される液滴を電界電
極と衝突してイオン化し、電界により壁面側に移動する
か、或いはメッシュと衝突して捕獲することにより、基
板への進入を阻止することができる。

【００１３】前記金属プラズマ発生装置（２０）は、仕
切り板（２１）で区分された真空容器（２４）と、真空
容器内に配置され負に印加されるカソード（２７）と、
該カソードに対向する位置の前記仕切り板に設けられ貫
通孔（２５）を有するアノード（２６）と、被処理材
（１）を負に印加して金属プラズマからイオンを蓄積さ
せるバイアス電源（１９）と、を備える。

【００１４】この構成により、真空容器（２４）内を真
空に保持し、アノード（２６）とカソード（２７）との
間に真空アーク放電（３１）を発生させてカソード物質
の金属プラズマを形成し、この状態で真空チャンバー内
の真空度を一定に保ち、磁場発生装置による磁場により
金属プラズマを一時的に封じ込め、バイアス電源（１
９）による電界により金属プラズマから円柱状金属アー
クプラズマ（３８）を発生させることができる。

【００１５】また、本発明によれば、真空容器（２４）
内を真空に保持し、印加磁場中でアノードとカソードの
間に真空アーク放電を発生させてカソード物質の金属プ
ラズマを形成し、次いで磁場により金属プラズマを封じ
込め輸送し、この金属プラズマを高周波電界により拡径
して被処理材に照射し成膜する、ことを特徴とする金属
プラズマを用いた成膜方法が提供される。

【００１６】この方法により、指向性の強いアーク放電
金属プラズマを拡径して被処理材に照射し成膜するの
で、広い範囲に均一に高品質のＤＬＣ等を成膜すること
ができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施例を
図面を参照して説明する。なお、各図において共通する
部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図１は、本発明による成膜装置の全体構成図である。こ
の図に示すように、本発明の金属プラズマを用いた成膜
装置は、金属プラズマ発生装置２０と金属プラズマ拡径
装置１０とからなる。金属プラズマ発生装置２０は、強
い指向性の金属プラズマ３２から円柱状金属アークプラ
ズマ３８を発生させ、これを金属プラズマ拡径装置１０
により拡径して被処理材１に照射し成膜する。なお、被
処理材１及び金属プラズマ拡径装置１０は、成膜チャン
バー１７内に収容され、内部を真空（例えば１０^-5〜１
０^-6Ｔｏｒｒ）に保持する。また、この例では、被処理
材１を保持するホルダー１８がバイアス電源１９（直流
電源）により−１００Ｖ〜−１０００Ｖ程度に印加さ
れ、プラスに帯電した円柱状金属アークプラズマ３８中
のイオンによる成膜効率を高めるようになっている。

【００１８】金属プラズマ拡径装置１０は、円柱状金属
アークプラズマ３８に電界を負荷する電界電極１２と、
電界電極１２に高周波電圧を印加する高周波電源１４と
からなる。また、この例では、電界電極１２と高周波電
源１４との間にコンデンサ１５が接続され、電界電極１
２を電気的に浮かしている。高周波電源１４は、この例
ではＲＦ（１３．５６ＭＨｚ）、２００Ｗの交流電源で
あるが、高電圧パルス電源を用いてもよい。

【００１９】電界電極１２は、図１の例では、円柱状金
属アークプラズマ３８を遮って配置された２枚の金属メ
ッシュ１２ａである。この金属メッシュ１２ａは、５０
０メッシュ以上の格子状金網であり、目開き寸法が約
０．０２６ｍｍ以下に設定されている。

【００２０】この構成により、円柱状金属アークプラズ
マ３８中のプラス（＋）に帯電したイオンが金属メッシ
ュ１２ａと成膜チャンバー１７の間に形成される交番す
る電界Ｂにより円柱状金属アークプラズマ３８に直交す
る方向の力を受けて幅方向に広がる。また、円柱状金属
アークプラズマ３８自体は帯電しているため、プラス
（＋）に帯電した金属メッシュ１２ａの開口を通過する
が、円柱状金属アークプラズマに同伴される液滴は、電
界電極と衝突してイオン化し、電界により壁面側に移動
するか、或いはメッシュと衝突して容器内に落ち回収さ
れる。

【００２１】従って、指向性の高い金属アークプラズマ
の幅を広げることができ、かつ金属アークプラズマに同
伴される液滴を効果的に捕獲・除去して膜質を高めるこ
とができる。

【００２２】また図１に示すように、金属プラズマ発生
装置２０は、仕切り板２１で区分された真空容器２４
と、真空容器内に配置され負に印加されるカソード２７
と、該カソードに対向する位置の前記仕切り板に設けら
れ貫通孔２５を有するアノード２６と、被処理材１を負
に印加して金属プラズマからイオンを蓄積させるバイア
ス電源１９とを備えている。

【００２３】真空容器２４は、図示しない真空装置によ
り真空排気され、これにより、アークプラズマの発生時
にカソードが蒸発して金属イオンが発生する第１チャン
バー２２よりも第２チャンバー２３の圧力が低くなるよ
うに差動排気するようになっている。

【００２４】また、図１に示すように、この金属プラズ
マ発生装置２０は、第１チャンバー２２及び第２チャン
バー２３内に発生するプラズマを少なくとも一時的に封
じ込める磁場を発生させる磁場発生装置３０を更に備え
ている。成膜チャンバー１７は、例えば、マルチカスプ
磁場を形成するための複数の永久磁石と、ミラー磁場を
形成するための空心コイルとからなり、これらの２つの
磁場により、プラズマ閉じ込め空間を形成するようにな
っている（図示せず）。なお、磁場発生装置３０は、か
かる構成に限定されず、例えば、特開平５−１０１７９
９号に開示したような種々の構成のものであってもよ
い。

【００２５】上述した装置は以下のように使用される。
すなわち、真空チャンバー２２、２３内をガスを入れて
真空（例えば１０^-2〜１０^-4Ｔｏｒｒ）に保持し、アノ
ード２６とカソード２７との間に真空アーク放電３１を
発生させてカソード物質の金属プラズマを形成し、その
後ガスを遮断して真空チャンバー２２、２３内の真空度
を１０^-5〜１０^-6Ｔｏｒｒに保ち、磁場発生装置３０に
よる磁場により金属プラズマを一時的に封じ込め、バイ
アス電極１９による電界によりアーク金属プラズマから
所望するイオンを基板上に蓄積させる。

【００２６】金属プラズマ発生装置２０は更に、カソー
ド２７とアノード２６の間に放電を起こさせるための直
流電源装置４０を備えている。

【００２７】更に、上述した金属プラズマ拡径装置１０
の構成により、プラス（＋）に帯電した円柱状金属アー
クプラズマ３８が金属メッシュ１２ａと成膜チャンバー
１７の間に形成される交番する電界Ｂにより円柱状金属
アークプラズマ３８に直交する方向の力を受けるので指
向性の高い金属アークプラズマの幅を広げることができ
る。また、円柱状金属アークプラズマ３８自体は帯電し
ているため、プラス（＋）に帯電した金属メッシュ１２
ａの開口を通過するが、金属アークプラズマに同伴され
る液滴は、電界電極と衝突してイオン化し、電界により
壁面側に移動するか、或いはメッシュと衝突して容器内
に落ち回収される。

【００２８】図２は、本発明の成膜装置を構成する金属
プラズマ拡径装置の別の構成図である。この図におい
て、電界電極１２が（Ａ）（Ｂ）では２枚の金属平板１
２ｂからなり、（Ｃ）（Ｄ）では螺旋状のコイル１２
ｃ，１２ｄからなる。（Ａ）及び（Ｃ）は、平板の間隔
又はコイルの直径が一定の場合であり、（Ｂ）と（Ｄ）
は、これらが変化する場合である。これらのいずれの場
合でも、プラス（＋）に帯電した円柱状金属アークプラ
ズマ３８が２枚の平板１２ｂの間、或いはコイル１２
ｃ，１２ｄと成膜チャンバー１７の間に形成される交番
する電界Ｂにより円柱状金属アークプラズマ３８に直交
する方向の力を受けるので指向性の高い金属アークプラ
ズマの幅を広げることができる。

【００２９】

【実施例】（実施例１）図１に示した成膜装置を用い
て、以下の試験条件でＤＬＣの成膜試験を実施した。（１）雰囲気真空度：６×１０^-5ｔｏｒｒ（２）放電条件：カーボン直流アーク６０Ａ−６０Ｖ（３）高周波電源：ＲＦ２００Ｗ，１３．５６ＭＨｚ（４）ホルダーバイアス電圧：−１００Ｖ（５）成膜時間：１０分

【００３０】上述した試験により、カソード２７の原料
としてカーボンを用い、幅２６ｍｍ×長さ７６ｍｍ、厚
さ１ｍｍのガラス板を３枚並べた幅７８ｍｍ×長さ７６
ｍｍの広い面積に膜厚０．５μｍのＤＬＣ膜を均一に成
膜できることが確認された。

【００３１】図３は、得られたＤＬＣ膜をラマン分光法
により分析した分光スペクトルであり、縦軸は任意強度
を示している。この図において右側のピークはグラファ
イト面のきれいなＳＰ２のピーク、左側のピークはグラ
ファイト構造の乱れが大きくなった細切れのピーク（Ｓ
Ｐ３）である。そしてこのデータより、高品質のＤＬＣ
膜（ダイヤモンド薄膜）が形成されていることは明らか
である。また、このＤＬＣ膜は、バイアス電極１９によ
り、１００ｅＶ以上の高エネルギーに加速できるので、
１ｅＶが非平衡的にほぼ１万℃に相当することからかん
がみても、非常に高品質のＤＬＣ膜が成膜されていると
いえる。

【００３２】（実施例２）金属プラズマ拡径装置１０と
して、線径２５０μm、ピッチ０.８４５mm（３０メッシ
ュ）、開口率４９.６６％の金属メッシュをアークプラ
ズマ３８に直角に配置し、かつ電気的に浮かせて試験し
た。この金属メッシュは、１枚のみと間隔を隔てた２枚
を試験した。またこの試験では、上述した高周波電源１
４を使用せず、金属メッシュには高周波電圧を印加しな
いで行った。この結果、いずれの場合でも金属メッシュ
に高周波電圧を印加せず電気的に浮かせるだけで、アー
クプラズマ３８を拡径することができ、かつマクロパー
ティクル（スプラッシュ）が大幅に減少することが確認
された。これは、電気的に浮かせた結果、金属メッシュ
がアークプラズマ３８の持っている電位と同等となり、
飛来プラズマはメッシュの電位のために拡径し、スプラ
ッシュは、電荷をもっていないために、金属メッシュに
衝突し除去されたものと考えられる。

【００３３】（実施例３）同様に金属プラズマ拡径装置
１０として、線径８０μm、ピッチ０.２５４mm（１００
メッシュ）、開口率４７％の金属メッシュを同様に１枚
のみと２枚をアークプラズマ３８に直角に配置し、かつ
電気的に浮かせて試験した。この結果、アークプラズマ
３８を拡径することができるばかりでなく、マクロパー
ティクル（スプラッシュ）を完全に除去できることが確
認された。

【００３４】なお、本発明は上述した実施形態及び実施
例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々
変更できることは勿論である。

【００３５】

【発明の効果】上述したように、金属メッシュをアーク
プラズマ３８に直角に配置し、かつ電気的に浮かせるだ
けで、金属メッシュがアークプラズマ３８の持っている
電位と同等となり、アークプラズマ３８を拡径すること
ができ、かつマクロパーティクル（スプラッシュ）を大
幅に減少することができる。

【００３６】また真空中にメッシュ等の電界電極を配置
し、これにＲＦを印加することにより、真空中に交番す
る電界が形成される。この電界により金属アークプラズ
マの強い直進性が緩和されメッシュに沿って金属アーク
プラズマ域を広くできる。そして被処理材は金属アーク
プラズマの進入方向に直角に配置した場合でも良好に成
膜できる。なお、液滴は、メッシュの電解電極と衝突し
てイオン化し、電界により壁面に持って行かれるか、又
はメッシュと衝突して容器内に落ち回収される。

【００３７】従って、本発明の装置及び方法により、
（１）絶縁ガラス（スライドガラス）上にＤＬＣを成膜
することができ、この事は（２）金属メッシュの絶縁ま
たはＲＦの印加により、荷電蓄積効果が改善されてＤＬ
Ｃ膜ができた事を示している。

【００３８】すなわち、本発明の金属プラズマを用いた
成膜装置及び方法は、高エネルギーで指向性の高い金属
アークプラズマを用いて広い範囲に均一に高品質のＤＬ
Ｃ等を成膜することができ、かつ、膜質を低下させる液
滴を効果的に除去することができる、等の優れた効果を
有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による成膜装置の全体構成図である。

【図２】本発明の成膜装置を構成する金属プラズマ拡径
装置の構成図である。

【図３】本発明の実施例を示すラマン分光法スペクトル
図である。

【図４】従来の成膜装置の構成図である。

【符号の説明】

１被処理材、２カソード、３アノード、４トロ
イド、５プラズマダクト、６管、７標的部域、８
素材、９磁気走査コイル、１０金属プラズマ拡径
装置、１２電界電極、１２ａ金属メッシュ、１２ｂ
金属平板、１２ｃ，１２ｄ螺旋状コイル、１４高
周波電源、１５コンデンサ、１７成膜チャンバー、
１８ホルダー、１９バイアス電源（直流電源）、２
０金属プラズマ発生装置、２１仕切り板、２２第
１チャンバー、２３第２チャンバー、２４真空容
器、２５開口孔、２６アノード、２７カソード、
３０磁場発生装置、３１グロー放電、３８円柱状
金属アークプラズマ、４０電源装置、

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属プラズマから高エネルギーの円柱状
金属アークプラズマ（３８）を発生させる金属プラズマ
発生装置（２０）と、発生した金属アークプラズマを拡
径する金属プラズマ拡径装置（１０）とを備える、こと
を特徴とする金属プラズマを用いた成膜装置。
【請求項２】前記金属プラズマ拡径装置（１０）は、
円柱状金属アークプラズマ（３８）を遮って配置され、
かつ電気的に絶縁された金属メッシュである、ことを特
徴とする請求項１に記載の金属プラズマを用いた成膜装
置。
【請求項３】前記金属プラズマ拡径装置（１０）は、
金属アークプラズマに電界を負荷する電界電極（１２）
と、電界電極に高周波電圧を印加する高周波電源（１
４）とからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の金
属プラズマを用いた成膜装置。
【請求項４】前記電界電極（１２）は、円柱状金属ア
ークプラズマ（３８）を遮って配置された金属メッシュ
である、ことを特徴とする請求項３に記載の金属プラズ
マを用いた成膜装置。
【請求項５】前記金属プラズマ発生装置（２０）は、
仕切り板（２１）で区分された真空容器（２４）と、真
空容器内に配置され負に印加されるカソード（２７）
と、該カソードに対向する位置の前記仕切り板に設けら
れ貫通孔（２５）を有するアノード（２６）と、被処理
材（１）を負に印加して金属プラズマからイオンを蓄積
させるバイアス電源（１９）と、を備えることを特徴と
する請求項１に記載の金属プラズマを用いた成膜装置。
【請求項６】真空容器（２４）内を真空に保持し、印
加磁場中でアノードとカソードの間に真空アーク放電を
発生させてカソード物質の金属プラズマを形成し、次い
で磁場により金属プラズマを封じ込め輸送し、この金属
プラズマを高周波電界により拡径して被処理材に照射し
成膜する、ことを特徴とする金属プラズマを用いた成膜
方法。