JP2002241928A

JP2002241928A - 放電型プラズマ成膜装置とその方法

Info

Publication number: JP2002241928A
Application number: JP2001376591A
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: 2000-12-13
Filing date: 2001-12-11
Publication date: 2002-08-28
Anticipated expiration: 2021-12-11
Also published as: JP3668845B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】真空アーク放電を発生させてカソード物質の
プラズマを長時間安定して成膜することができる放電型
プラズマ成膜装置とその方法を提供する。【解決手段】内部を減圧可能な真空容器１２と、真空
容器内に配置された円柱形状のカソード１４と、カソー
ドの円形端面１４ａに対向する位置に設けられたアノー
ド１６と、カソードとアノードの間に直流電圧を印加す
る直流電源装置１８と、カソードの円柱面１４ｂとアノ
ードの間に発生する真空アーク放電１９を遮蔽するアー
ク遮蔽部材２０とを備える。アーク遮蔽部材２０は、カ
ソードの円柱面１４ｂがアノードと直接対向するのを阻
止するようにカソードの円柱面を間隔を隔てて囲む中空
円筒形の導電材である。アーク遮蔽部材２０とこれを間
隔を隔てて囲むカウリング部１２ｂ〜１２ｅが、カソー
ド及びアノードから電気的に絶縁されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、真空中でカソード
物質をプラズマ化させて成膜する放電型プラズマ成膜装
置とその方法に関する。

【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、アルゴン等のガスプラズマを用いたガスプ
ラズマ法、（２）炭素、チタンなどのプラズマを用いた
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）が残存する基本的な
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、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、かかるプラズマ法に関するものである。

【０００４】プラズマ法による成膜手段として、従来、
アーク放電型プラズマイオン源を用いてＤＬＣ，Ｔｉ
Ｎ，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）を悪化させる問題がある。

【０００５】この問題を解決する手段として、例えば、
特表平６−５０８２３５号、ＰＣＴ／ＦＩ９５／００６
７７、等が提案されている。特表平６−５０８２３５号
の「アークソース用大粒子フィルター」は、図９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“ＦＯＣＵＳＩＮＧ
ＵＮＩＴＦＯＲＡＮＡＲＣＤＩＳＣＨＡＧＥＡ
ＰＰＡＲＡＴＵＳＵＳＥＤＦＯＲＰＬＡＴＩＮＧ"
「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】この問題点を解決するために、本発明の発
明者は先に、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を備えた「金属プラズマを用い
た成膜装置及び方法」を創案し出願した（特願平１１−
３５４５５０号、未公開）。この発明により、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
きるようになった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の放電型
プラズマ成膜手段では、プラズマ源として使用する陰極
（カソード）は、薄い円柱形又は円錐形のものが用いら
れていた。しかし、図５に例示したような薄い円柱形の
陰極では、陰極容積が小さいため長時間の成膜ができな
い問題点があった。

【０００９】一方、円錐形の陰極を用いる場合には、ア
ーク放電のスポットを円錐陰極の先端部に局所化させて
直流アーク放電を安定維持することができる。そのた
め、薄い円柱形よりは長時間成膜が継続できるものの、
経過時間とアーク放電の積で陰極先端部が消耗し、陰極
が円錐形であるため放電時間により陰極が急激に消耗し
てしまう欠点があった。

【００１０】また、このような陰極の製作には、円柱材
を旋盤等で加工するため加工時間がかかるばかりでな
く、大量の切削くずが発生し、特に材料コストの陰極材
料（例えば、ニッケル）では、成膜コストが上昇する問
題点があった。

【００１１】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、真空アーク放電を発生させてカソード物質のプラズ
マを長時間安定して成膜することができる放電型プラズ
マ成膜装置とその方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、真空中
でカソード物質をプラズマ化させる放電型プラズマ成膜
装置であって、内部を減圧可能な真空容器（１２）と、
該真空容器内に配置された円柱形状のカソード（１４）
と、該カソードの円形端面（１４ａ）に対向する位置に
設けられたアノード（１６）と、カソードとアノードの
間に直流電圧を印加する直流電源装置（１８）と、カソ
ードの円柱面（１４ｂ）とアノードの間に発生する真空
アーク放電（１９）を遮蔽するアーク遮蔽部材（２０）
とを備える、ことを特徴とする放電型プラズマ成膜装置
が提供される。

【００１３】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
アーク遮蔽部材（２０）は、カソードの円柱面（１４
ｂ）がアノードと直接対向するのを阻止するようにカソ
ードの円柱面を間隔を隔てて囲む中空円筒形の導電材で
あり、かつカソード及びアノードから電気的に絶縁され
ている。

【００１４】また、真空容器（１２）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（１９）を発生させてカソード物質のプラズマを形
成する放電型プラズマ発生方法であって、カソード及び
アノードから電気的に絶縁されたアーク遮蔽部材（２
０）でカソードの円柱面（１４ｂ）を間隔を隔てて囲
み、カソードの円柱面とアノードの間に発生する真空ア
ーク放電（１９）を遮蔽する、ことを特徴とする放電型
プラズマ発生方法が提供される。

【００１５】上記本発明の装置及び方法によれば、アー
ク遮蔽部材（２０）がアノード及びカソードから電気的
に絶縁されてその中間位置に位置するので、アーク遮蔽
部材の電位はアノードとカソードの中間電位となり、真
空アーク放電（１９）を電位差の大きいカソードとアノ
ードの間のみに発生させることができる。

【００１６】また、アーク遮蔽部材は、カソードの円柱
面（１４ｂ）がアノードと直接対向するのを阻止するよ
うにカソードの円柱面を間隔を隔てて囲むので、カソー
ドの円柱面（１４ｂ）とアノードの間に発生する真空ア
ーク放電（１９）を遮蔽することができる。

【００１７】従って、真空容器（１２）内を真空に保持
し、印加磁場中でアノードとカソードの円形端面（１４
ａ）との間のみに真空アーク放電（１９）を発生させて
カソード物質のプラズマを形成することができ、カソー
ドは円柱形を保持したまま徐々に短くなるだけなので、
放電状態の変化が少なくカソード物質のプラズマ化を長
時間安定して行うことができる。

【００１８】また、前記カソード（１４）は、一定の長
さを有する着脱可能な円柱部材、又は連続的にアノード
に向けて供給可能に構成された長尺円柱部材であるのが
よい。一定の長さを有する着脱可能な円柱部材でカソー
ドを構成すれば、この長さ分のカソード物質のプラズマ
化が安定してできる。また、連続的にアノードに向けて
供給可能に構成された長尺円柱部材でカソードを構成す
れば、カソードの円形端面（１４ａ）の位置が一定に保
持できるので、この面とアノードとの間に長時間安定し
て同一条件でプラズマを発生させることができる。

【００１９】本発明の好ましい別の実施形態によれば、
前記真空容器（１２）は、カソード（１４）を保持する
カソードホルダー（１２ａ）と、アーク遮蔽部材（２
０）を間隔を隔てて囲むカウリング部（１２ｂ，１２
ｃ，１２ｄ，１２ｅ）とからなり、カソードホルダー
（１２ａ）はカソード（１４）と電気的に導通し、カウ
リング部（１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ）は、カソ
ード及びアノードから電気的に絶縁されている。また、
前記真空容器（１２）を、カソード（１４）を保持する
カソードホルダー（１２ａ）と、アーク遮蔽部材（２
０）を間隔を隔てて囲むカウリング部（１２ｂ，１２
ｃ，１２ｄ，１２ｅ）で構成し、カソードホルダー（１
２ａ）をカソード（１４）と電気的に導通し、カウリン
グ部（１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ）を、カソード
及びアノードから電気的に絶縁する。

【００２０】この構成及び方法により、アーク遮蔽部材
（２０）を間隔を隔てて囲むカウリング部（１２ｂ，１
２ｃ）がカソード及びアノードから電気的に絶縁される
ので、アーク遮蔽部材（２０）と共にそのまわりのカウ
リング部（１２ｂ，１２ｃ）も電位がアノードとカソー
ドの中間電位となり、真空アーク放電（１９）を電位差
の大きいカソードとアノードの間のみに更に安定して発
生させることができる。

【００２１】また、前記カウリング部（１２ｂ，１２
ｃ）は、中空円筒形の可撓性ベローズ（３３）を介して
連結されたカウリング移動部（１２ｂ）とカウリング固
定部（１２ｃ）とからなり、カウリング移動部（１２
ｂ）はカウリング固定部（１２ｃ）に対してカソード
（１４）の軸方向に移動可能であり、カウリング移動部
（１２ｂ）は、カソード絶縁部材（１５ｃ）を介してカ
ソードホルダー（１２ａ）に固定され、カウリング固定
部（１２ｃ）は、アノード絶縁部材（３１，３２）を介
してアノード側に固定されている。

【００２２】この構成により、カウリング部（１２ｂ，
１２ｃ）をカソード及びアノードから電気的に絶縁した
ままで、カウリング移動部（１２ｂ）をカウリング固定
部（１２ｃ）に対してカソード（１４）の軸方向に移動
させることで、カソードの円形端面（１４ａ）の位置を
一定に保持でき、この面とアノードとの間に長時間安定
して同一条件でプラズマを発生させることができる。

【００２３】前記アーク遮蔽部材（２０）は、絶縁碍子
（３５）を介して前記カウリング固定部（１２ｃ）の内
側に固定されている。この構成により、アーク遮蔽部材
（２０）をカウリング部（１２ｂ，１２ｃ）から絶縁し
て支持でき、アーク遮蔽部材（２０）とカソード及びア
ノードとの電気的な絶縁性能を更に高めることができ
る。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
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、本発明の放電型プラズマ成膜装置の第１実
施形態の全体構成図である。本発明の放電型プラズマ成
膜装置１０は、真空容器１２、カソード１４、アノード
１６、直流電源装置１８及びアーク遮蔽部材２０を備
え、真空中でカソード物質をプラズマ化させるようにな
っている。

【００２５】真空容器１２は、互いに連通した第１チャ
ンバー２２と第２チャンバー２３からなる。第１チャン
バー２２と第２チャンバー２３は、中空の導管２４で連
通する。また、第２チャンバー２３内は、図示しない真
空装置により真空排気され、これにより、カソードが蒸
発してプラズマが発生する第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。

【００２６】カソード１４は、円柱形状の成膜材料（例
えば、カーボン、Ｔｉ等）からなり、真空容器１２のカ
ソードホルダー１２ａ内に配置され、かつ直流電源装置
１８により負に印加される。アノード１６は、導電性材
料（例えば銅又は銅合金）からなり、カソード１４に対
向する位置（例えば導管２４）に取付られ、その中央に
第２チャンバー２３に通じる貫通孔を有している。アノ
ード１６は、直流電源装置１８により正に印加される。
直流電源装置１８は、カソード１４を負にアノード１６
を正に印加しその間に真空アーク放電１９を起こさせる
ようになっている。

【００２７】図１において、本発明の成膜装置１０は、
更に被処理材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２９と、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とを備えている。成膜チャンバー２７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
−１０１７９９号に開示したような種々の構成のもので
あってもよい。

【００２８】被処理材１は、成膜チャンバー２７内に収
容され、内部を真空（例えば１０^-5〜１０^-6Ｔｏｒｒ）
に保持される。また、被処理材１を保持するホルダー２
８はバイアス電源２９により−１００Ｖ〜−１０００Ｖ
程度に印加され、プラスに帯電したプラズマ２１中のイ
オンによる成膜効率を高めるようになっている。

【００２９】バイアス電源２９は、好ましくは、直流パ
ルス電源であるのがよい。この理由を以下に説明する。
プラズマ２１中に配置された被処理材１に負の高圧パル
スが印加された時、プラズマ中の電子は被処理材１から
斥けられ、金属イオンが被処理材１に引き込まれる。電
子とイオンの質量差から電子は被処理材１から急激に遠
ざかり、金属イオンと被処理材１の間には取り残された
金属イオンのみが存在するイオンシースが形成される。
負の印加高圧パルスのほとんどはこのイオンシースに加
わり、その高電界により金属イオンは被処理材１に向か
って加速される。このことはイオンシースのシースエッ
ジが被処理材１から離れていくことであり、それと同時
にシース内に金属プラズマより金属イオンが引き込まれ
る。

【００３０】上述した構成により、放電型プラズマ成膜
装置１０により、真空容器１２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１９
を発生させてカソード物質のプラズマ２１を形成するこ
とができる。更に発生したプラズマ２１から磁場発生装
置３０とバイアス電源２９により、プラスイオン（金属
イオン）を抽出し、被処理材１に照射し成膜することが
できる。

【００３１】また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内にガスを入
れて真空（例えば１０^-2〜１０^-4Ｔｏｒｒ）に保持し、
アノード１６とカソード１４との間に真空アーク放電１
９を発生させてカソード物質のプラズマを形成し、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
よる磁場によりプラズマを一時的に封じ込め、バイアス
電極２９による電界によりプラズマ２１から所望するイ
オンを基板上に蓄積させる。

【００３２】図２は、図１のＡ部の拡大図である。この
図において、カソード１４は、一定の長さを有する着脱
可能な円柱部材、１７はカソード１４をネジ等で固定し
て保持するカソード保持電極、１５ａ，１５ｂはカソー
ド絶縁部材である。アーク遮蔽部材２０は、カソード１
４の円柱面１４ｂがアノード１６と直接対向するのを阻
止するようにカソードの円柱面を間隔を隔てて囲む中空
円筒形の導電材（例えば金属管）である。このアーク遮
蔽部材２０は、カソード絶縁部材１５ａ，１５ｂを介し
てカソード１４及びアノード１６から電気的に絶縁され
ている。

【００３３】従って、アーク遮蔽部材２０の電位はアノ
ードとカソードの中間電位となり、かつ電気的に絶縁さ
れているので、真空アーク放電１９を電位差の大きいカ
ソード１４とアノード１６の間のみに発生させることが
できる。また、アーク遮蔽部材２０は、カソード１４の
円柱面１４ｂがアノード１６と直接対向するのを阻止す
るように位置しているので、真空アーク放電１９はカソ
ードの端面２７ａとアノード１６との間に限定され、カ
ソードの円柱面１４ｂとアノードの間に発生する真空ア
ーク放電３１を実質的に遮蔽することができる。

【００３４】図３は、本発明の放電型プラズマ成膜装置
の第２実施形態の構成図である。この図も、図１のＡ部
に相当する部分を示している。この図において、カソー
ド１４は、図示しない供給装置により連続的にアノード
１６に向けて供給可能に構成された長尺円柱部材であ
る。この場合、カソードの端面１４ａは、アノード１６
からの距離をほぼ一定に保持するようになっている。そ
の他の構成は、図２と同様である。

【００３５】また、本発明の放電型プラズマ成膜方法に
よれば、上述したように、カソード１４及びアノード１
６から電気的に絶縁されたアーク遮蔽部材２０でカソー
ド１４の円柱面１４ｂを間隔を隔てて囲み、カソード１
４の円柱面１４ｂとアノード１６の間に発生する真空ア
ーク放電１９を遮蔽して、真空アーク放電１９をカソー
ド１４の端面１４ａとアノード１６との間に制限する。

【００３６】上述した本発明の装置及び方法によれば、
真空容器１２内を真空に保持し、印加磁場中でアノード
とカソードの円形端面１４ａとの間のみに真空アーク放
電１９を発生させてカソード物質のプラズマを形成する
ことができる。この放電により、カソード１４は円柱形
を保持したまま徐々に短くなるだけなので、放電状態の
変化が少なくカソード物質のプラズマ化を長時間安定し
て行うことができる。

【００３７】また、図１及び図２に示したように、一定
の長さを有する着脱可能な円柱部材でカソード１４を構
成すれば、この長さ分のカソード物質のプラズマ化が安
定してできる。また、図３に示したように、連続的にア
ノード１６に向けて供給可能に構成された長尺円柱部材
でカソード１４を構成すれば、カソードの円形端面１４
ａの位置が一定に保持できるので、この面とアノードと
の間に長時間安定して同一条件でプラズマを発生させる
ことができる。

【００３８】図４は、本発明の放電型プラズマ成膜装置
の第３実施形態の構成図である。この図も、図１のＡ部
に相当する部分を示している。この図において、真空容
器１２は、カソード１４を保持するカソードホルダー１
２ａと、アーク遮蔽部材２０を半径方向に間隔を隔てて
囲むカウリング部１２ｂ，１２ｃとからなる。

【００３９】カソード１４は、その末端部に設けられた
雄ネジ部でカソード保持電極１７に固定される。カソー
ド保持電極１７は内部に中空部を有し、その中空部に冷
却水を通して冷却し、カソード１４を使用中の過熱から
保護するようになっている。また、カソード保持電極１
７に設けられたフランジ部がカソードホルダー１２ａに
ボルト等で固定され、カソードホルダー１２ａとカソー
ド１４は電気的に導通している。この構成により、カソ
ードホルダー１２ａを直流電源装置１８の負極と電気的
に接続することにより、カソード１４を負に印加するこ
とができる。

【００４０】この例において、カウリング部１２ｂ，１
２ｃは、中空円筒形の可撓性ベローズ３３を介して連結
されたカウリング移動部１２ｂとカウリング固定部１２
ｃとからなる。カウリング移動部１２ｂとカウリング固
定部１２ｃは金属製であり、金属製のベローズ３３の両
端部が溶接等により気密に接合されている。また、カウ
リング移動部１２ｂとカウリング固定部１２ｃの間隔を
調整する金属製のボルト３４により、カウリング移動部
１２ｂをカウリング固定部１２ｃに対してカソード１４
の軸方向に移動できるようになっている。この移動は、
カウリング移動部１２ｂと共に移動するカソード１４の
円形端面１４ａの位置を、カソード１４の消耗に応じて
一定に保持するように行うのがよい。なお、カウリング
移動部１２ｂの移動は、この例ではボルトとナットの螺
合によるが、パルスシリンダやステッピングモータを用
いて正確に移動できるようにしてもよい。

【００４１】カウリング移動部１２ｂは、カソード絶縁
部材１５ｃを介してカソードホルダー１２ａに固定され
ている。カソード絶縁部材１５ｃは、例えば円板状のテ
フロン（登録商標）であり、絶縁性ボルト１３（例えば
ベーク材のボルト）でカウリング移動部１２ｂとカソー
ドホルダー１２ａの間に挟持される。また、カウリング
移動部１２ｂの内縁部とカソード保持電極１７との間に
は、中空円筒形のカソード絶縁部材１５ａが嵌め込ま
れ、カソード保持電極１７の先端（図で左端）とカソー
ド１４の末端部には中空円筒形のカソード絶縁部材１５
ｂが嵌まり、カソード１４の末端部とカソード保持電極
１７の先端部が第１チャンバー２２内に露出しないよう
になっている。カソード絶縁部材１５ａは例えば強度の
高いアルミナ材であり、カソード絶縁部材１５ｂは例え
ば耐熱性の高い窒化ボロン材（ＢＮ）であるのがよい。

【００４２】この構成により、カウリング部１２ｂ，１
２ｃをカソードから電気的に絶縁するとともに、カソー
ド１４の末端部とカソード保持電極１７の先端部からの
放電を本質的に防止することができる。

【００４３】また、カウリング固定部１２ｃは、アノー
ド絶縁部材３１，３２を介してアノード側に固定されて
いる。アノード絶縁部材３１は、この例では、中空円筒
形のアルミナであり、アノード絶縁部材３２はこの例で
は絶縁性ボルト（例えばベーク材のボルト）である。絶
縁性ボルト３２によりアノード絶縁部材３１がカウリン
グ固定部１２ｃと導管２４のフランジ部との間に挟持さ
れる。また、アノード絶縁部材３１の両端面がＯリング
３６により、カウリング固定部１２ｃと導管２４のフラ
ンジ部との間を気密にシールされている。この構成によ
り、カウリング部１２ｂ，１２ｃ及びベローズ３３をア
ノード及びカソードから電気的に絶縁し、アーク遮蔽部
材２０と共にそのまわりのカウリング部１２ｂ，１２ｃ
の電位もアノードとカソードの中間電位とすることがで
き、真空アーク放電１９を電位差の大きいカソードとア
ノードの間のみに更に安定して発生させることができ
る。

【００４４】更に、この例では、アーク遮蔽部材２０
は、周方向に複数個（例えば４個）設けられた絶縁碍子
３５を介して、カウリング固定部１２ｃの内側に固定さ
れている。なお、その他の構成は、図２と同様である。
この構成により、前述のようにカウリング固定部１２ｃ
は、アノード及びカソードから電気的に絶縁されてお
り、更に絶縁碍子３５を介してアーク遮蔽部材２０が固
定されているので、アーク遮蔽部材２０とカソード１４
及びアノード１６との電気的な絶縁性能を更に高めるこ
とができる。

【００４５】図５は、本発明の放電型プラズマ成膜装置
の第４実施形態の構成図である。この図も、図１のＡ部
に相当する部分を示している。この図において、真空容
器１２は、カソード１４を保持するカソードホルダー１
２ａと、アーク遮蔽部材２０を半径方向に間隔を隔てて
囲む金属製のカウリング部１２ｄとからなる。この例で
は、カウリング部１２ｄは、カウリング固定部のみから
なる。

【００４６】カウリング部１２ｄ（カウリング固定部）
は、カソード絶縁部材１５ａを介してカソードホルダー
１２ａに固定されている。カソード絶縁部材１５ａは、
例えば円筒形のアルミナ材であり、絶縁ロッド１５ｄ
（例えばベーク材製）とボルト２５でカウリング部１２
ｄとカソードホルダー１２ａの間に挟持される。また、
カソード絶縁部材１５ａの両端部はＯリング３６で気密
にシールされる。この例において、カソードホルダー１
２ａは、第３実施形態（図４）におけるカソード保持電
極１７の役割も担っている。すなわち、カソード１４
は、その末端部に設けられた雄ネジ部でカソードホルダ
ー１２ａに直接固定される。また、カソードホルダー１
２ａは内部に中空部を有し、その中空部に冷却水を通し
て冷却し、カソード１４を使用中の過熱から保護するよ
うになっている。この構成によりカソードホルダー１２
ａがカソード１４に電気的に導通し、カソードホルダー
１２ａを直流電源装置１８の負極と電気的に接続するこ
とにより、カソード１４を負に印加することができる。

【００４７】また、カソードホルダー１２ａとカソード
１４の末端部の間には平板状のカソード絶縁部材１５ｂ
が嵌まり、カソード絶縁部材１５ａの末端部とカソード
ホルダー１２ａとの間には、中空円筒形のカソード絶縁
部材１５ｃが嵌まり、カソードホルダー１２ａが第１チ
ャンバー２２内に露出しないようになっている。カソー
ド絶縁部材１５ｂは例えば耐熱性の高い窒化ボロン材
（ＢＮ）であり、カソード絶縁部材１５ｃは例えばテフ
ロン材であるのがよい。

【００４８】この構成により、カウリング部１２ｄをカ
ソード１４から電気的に絶縁するとともに、カソード１
４の末端部とカソードホルダー１２ａからの放電を本質
的に防止することができる。

【００４９】また、カウリング部１２ｄは、アノード絶
縁部材３１，３２を介してアノード側の導管２４に固定
されている。アノード絶縁部材３１は、この例では、中
空円筒形のテフロン材であり、アノード絶縁部材３２は
この例では絶縁性ボルト（例えばベーク材のボルト）で
ある。絶縁性ボルト３２によりアノード絶縁部材３１が
カウリング固定部１２ｄと導管２４のフランジ部との間
に挟持される。また、アノード絶縁部材３１の両端面が
Ｏリング３６により、カウリング部１２ｄと導管２４の
フランジ部との間を気密にシールされている。この構成
により、カウリング部１２ｄをアノード及びカソードか
ら電気的に絶縁し、アーク遮蔽部材２０と共にそのまわ
りのカウリング部１２ｄの電位もアノードとカソードの
中間電位とすることができ、真空アーク放電１９を電位
差の大きいカソードとアノードの間のみに更に安定して
発生させることができる。

【００５０】更に、この例では、アノード絶縁部材３１
は、２枚の金属板３７ａ，３７ｂの間に挟持され、かつ
その内側に金属製の遮熱リング３８ａ，３８ｂが二重に
設けられ、過熱されたアノード１６からの輻射熱を遮
り、アノード絶縁部材３１を保護するようになってい
る。また、アーク遮蔽部材２０は、カソード絶縁部材１
５ｂと金属板３７ｂの間に軸方向に挟持され、アノード
とカソードの中間電位となるように固定されている。な
お、その他の構成は、図２と同様である。

【００５１】図６は、本発明の放電型プラズマ成膜装置
の第５実施形態の構成図であり、図７は、第６実施形態
の構成図である。これらの図も、図１のＡ部に相当する
部分を示している。図６及び図７において、真空容器１
２は、カソード１４を保持するカソードホルダー１２ａ
と、アーク遮蔽部材２０を半径方向に間隔を隔てて囲む
金属製のカウリング部１２ｅとからなる。この例では、
カウリング部１２ｅは、カウリング固定部のみからな
る。

【００５２】カウリング部１２ｅ（カウリング固定部）
は、カソード絶縁部材１５ｃを介してカソードホルダー
１２ａに固定されている。すなわちこの例で、カソード
絶縁部材１５ｃは、円板状のテフロン材であり、ボルト
２５でカウリング部１２ｅと連結され、カソードホルダ
ー１２ａも図示しないボルトによりカソード絶縁部材１
５ｃに取り付けられる。カソード絶縁部材１５ｃとカウ
リング部１２ｅ及びカソードホルダー１２ａの間は、Ｏ
リング３６で気密にシールされる。この例でも、カソー
ドホルダー１２ａは、第３実施形態（図４）におけるカ
ソード保持電極１７の役割も担っている。すなわち、カ
ソード１４は、その末端部に設けられた雄ネジ部でカソ
ードホルダー１２ａに直接固定される。また、カソード
ホルダー１２ａは内部に中空部を有し、その中空部に冷
却水を通して冷却し、カソード１４を使用中の過熱から
保護するようになっている。また、カウリング部１２ｅ
もこの例では中空部を有し、その中空部に冷却水を通し
て冷却し、使用中の過熱から保護するようになってい
る。この構成によりカソードホルダー１２ａがカソード
１４に電気的に導通し、カソードホルダー１２ａを直流
電源装置１８の負極と電気的に接続することにより、カ
ソード１４を負に印加することができる。

【００５３】図６において、カソードホルダー１２ａと
カソード１４の末端部の間にはリング状のカソード絶縁
部材１５ｂが嵌まり、カウリング部１２ｅの内側には軸
方向に２分割された中空円筒形のカソード絶縁部材１５
ａが嵌まり、その内側に中空円筒形のアーク遮蔽部材２
０が嵌まるようになっている。更にこの例では、アーク
遮蔽部材２０の先端部にフランジ部が設けられ、このフ
ランジ部がボルト３９によりカソード絶縁部材１５ａを
軸方向に貫通してカソード絶縁部材１５ｃに固定され
る。

【００５４】また、図７において、カソードホルダー１
２ａとカソード１４の末端部の間にはリング状のカソー
ド絶縁部材１５ｂが嵌まり、カウリング部１２ｅの内側
には中空円筒形のアーク遮蔽部材２０が直接嵌まるよう
になっている。更にこの例では、アーク遮蔽部材２０の
末端部にフランジ部が設けられ、このフランジ部がボル
ト３９によりカソード絶縁部材１５ｃに固定される。

【００５５】図６及び図７において、カソード絶縁部材
１５ｂは例えば耐熱性の高い窒化ボロン材（ＢＮ）であ
り、カソード絶縁部材１５ａは例えばアルミナ材である
のがよい。

【００５６】これらの構成により、カウリング部１２ｅ
をカソード１４から電気的に絶縁するとともに、カソー
ド１４の末端部とカソードホルダー１２ａからの放電を
本質的に防止することができる。

【００５７】また、図６及び図７において、カウリング
部１２ｅは、アノード絶縁部材３１，３２を介してアノ
ード側の導管２４に固定されている。この構成は、図５
の第４実施形態と同様である。また、その他の構成は、
図２と同様である。この構成により、カウリング部１２
ｅをアノード及びカソードから電気的に絶縁し、アーク
遮蔽部材２０と共にそのまわりのカウリング部１２ｅの
電位もアノードとカソードの中間電位とすることがで
き、真空アーク放電１９を電位差の大きいカソードとア
ノードの間のみに更に安定して発生させることができ
る。

【００５８】

【実施例】図８は、本発明の実施例におけるカソードの
消耗状態を示す模式図である。この図において、（Ａ）
は従来の円錐形のカソードの場合の使用前ａと使用後
ｂ、（Ｂ）は従来の装置における円柱形カソードの使用
前ａと使用後ｂ１，ｂ２、（Ｃ）は本発明における円柱
形カソードの使用前ａと使用後ｂを示している。

【００５９】図８（Ａ）に示すように、従来の円錐形の
陰極（カソード）では、先端部に局所化させて直流アー
ク放電を安定維持することができが、陰極が円錐形であ
るため放電時間により陰極が短時間に急激に消耗してし
まう欠点があった。また、図８（Ｂ）に示すように、従
来の装置に円柱形カソードを適用した場合には、直流ア
ーク放電を先端部に局所化させて安定維持することがで
きず、円柱形カソードの側面との間でも放電がおきて消
耗するため、円錐形の場合よりも短時間した成膜ができ
なかった。

【００６０】これに対して、図８（Ｃ）に示すように、
本発明の装置及び方法では、アノード１６とカソード１
４の円形端面１４ａとの間のみに真空アーク放電１９を
局所化させて発生させ、カソード物質のプラズマ形成を
長時間継続させることができることが確認された。なお
この試験は、カーボン、銅、チタンで成功している。

【００６１】なお、本発明は上述した実施例及び実施形
態に限定されず、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。

【００６２】

【発明の効果】上述したように、本発明は、円柱状の丸
棒をそのまま陰極として使用し、先端部の円形断面部に
のみプラズマスポットを局所化させ円柱形状を保ったま
ま金属円柱をプラズマ化するものである。従って、本発
明の放電型プラズマ成膜装置とその方法は、真空アーク
放電を発生させてカソード物質のプラズマを長時間安定
して成膜することができる、等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の放電型プラズマ成膜装置の第１実施形
態の全体構成図である。

【図２】図１のＡ部の拡大図である。

【図３】本発明の放電型プラズマ成膜装置の第２実施形
態の構成図である。

【図４】本発明の放電型プラズマ成膜装置の第３実施形
態の構成図である。

【図５】本発明の放電型プラズマ成膜装置の第４実施形
態の構成図である。

【図６】本発明の放電型プラズマ成膜装置の第５実施形
態の構成図である。

【図７】本発明の放電型プラズマ成膜装置の第６実施形
態の構成図である。

【図８】カソードの消耗状態を示す模式図である。

【図９】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放電型プラズマ成
膜装置、１２真空容器、１２ａカソードホルダー、
１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅカウリング部、１３
絶縁性ボルト、１４カソード、１４ａ円形端面、
１４ｂ円柱面、１５ａ，１５ｂ，１５ｃカソード絶
縁部材、１５ｄ絶縁ロッド、１６アノード、１７
カソード保持電極、１８電源装置、１９真空アーク
放電、２０アーク遮蔽部材、２１プラズマ、２２
第１チャンバー、２３第２チャンバー、２４導管、
２７成膜チャンバー、２８ホルダー、２９バイア
ス電源（直流電源）、３０磁場発生装置３１，３２
アノード絶縁部材、３３ベローズ、３４ボルト、３
５絶縁碍子、３６Ｏリング、３７ａ，３７ｂ金属
板、３８ａ，３８ｂ遮熱リング、３９ボルト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空中でカソード物質をプラズマ化させ
る放電型プラズマ成膜装置であって、内部を減圧可能な
真空容器（１２）と、該真空容器内に配置された円柱形
状のカソード（１４）と、該カソードの円形端面（１４
ａ）に対向する位置に設けられたアノード（１６）と、
カソードとアノードの間に直流電圧を印加する直流電源
装置（１８）と、カソードの円柱面（１４ｂ）とアノー
ドの間に発生する真空アーク放電（１９）を遮蔽するア
ーク遮蔽部材（２０）とを備える、ことを特徴とする放
電型プラズマ成膜装置。
【請求項２】前記アーク遮蔽部材（２０）は、カソー
ドの円柱面（１４ｂ）がアノードと直接対向するのを阻
止するようにカソードの円柱面を間隔を隔てて囲む中空
円筒形の導電材であり、かつカソード及びアノードから
電気的に絶縁されている、ことを特徴とする請求項１に
記載の放電型プラズマ成膜装置。
【請求項３】前記カソード（１４）は、一定の長さを
有する着脱可能な円柱部材、又は連続的にアノードに向
けて供給可能に構成された長尺円柱部材である、ことを
特徴とする請求項１に記載の放電型プラズマ成膜装置。
【請求項４】前記真空容器（１２）は、カソード（１
４）を保持するカソードホルダー（１２ａ）と、アーク
遮蔽部材（２０）を間隔を隔てて囲むカウリング部（１
２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ）とからなり、カソード
ホルダー（１２ａ）はカソード（１４）と電気的に導通
し、カウリング部（１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ）
は、カソード及びアノードから電気的に絶縁されてい
る、ことを特徴とする請求項１に記載の放電型プラズマ
成膜装置。
【請求項５】前記カウリング部（１２ｂ，１２ｃ）
は、中空円筒形の可撓性ベローズ（３３）を介して連結
されたカウリング移動部（１２ｂ）とカウリング固定部
（１２ｃ）とからなり、カウリング移動部（１２ｂ）は
カウリング固定部（１２ｃ）に対してカソード（１４）
の軸方向に移動可能であり、カウリング移動部（１２
ｂ）は、カソード絶縁部材（１５ｃ）を介してカソード
ホルダー（１２ａ）に固定され、カウリング固定部（１
２ｃ）は、アノード絶縁部材（３１，３２）を介してア
ノード側に固定されている、ことを特徴とする請求項４
に記載の放電型プラズマ成膜装置。
【請求項６】前記アーク遮蔽部材（２０）は、絶縁碍
子（３５）を介して前記カウリング固定部（１２ｃ）の
内側に固定されている、ことを特徴とする請求項５に記
載の放電型プラズマ成膜装置。
【請求項７】真空容器（１２）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
（１９）を発生させてカソード物質のプラズマを形成す
る放電型プラズマ発生方法であって、カソード及びアノ
ードから電気的に絶縁されたアーク遮蔽部材（２０）で
カソードの円柱面（１４ｂ）を間隔を隔てて囲み、カソ
ードの円柱面とアノードの間に発生する真空アーク放電
（１９）を遮蔽する、ことを特徴とする放電型プラズマ
発生方法。
【請求項８】前記真空容器（１２）を、カソード（１
４）を保持するカソードホルダー（１２ａ）と、アーク
遮蔽部材（２０）を間隔を隔てて囲むカウリング部（１
２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ）で構成し、カソードホ
ルダー（１２ａ）をカソード（１４）と電気的に導通
し、カウリング部（１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ）
を、カソード及びアノードから電気的に絶縁する、こと
を特徴とする請求項７に記載の放電型プラズマ発生方
法。