JP2002275630A - プラズマ成膜装置及び炭素膜の形成方法 - Google Patents
プラズマ成膜装置及び炭素膜の形成方法Info
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Abstract
が可能なプラズマ成膜装置及び炭素膜の形成方法を提供
する。 【解決手段】 反応ガスが導入される反応室2と反応室
2内に配置された陽極3と棒状の陰極4とが少なくとも
備えられ、陰極4と陽極3との放電により生成したプラ
ズマを反応ガスに作用させて陽極3上の基体8に炭素膜
を形成するプラズマ成膜装置1であり、陰極4は、熱電
子放出特性の異なる複数の放電部4b、4c、4dから
構成され、各放電部4b、4c、4dは陽極3に接近す
るにつれて熱電子放出特性が低下する順に配列されてい
ることを特徴とするプラズマ成膜装置1を採用する。
Description
及び炭素膜の形成方法に関するものである。
の形成方法として、平行平板からなる一対の電極を用い
てグロー放電を行うことでプラズマを形成し、このプラ
ズマによって、陽極上に設置した基板に炭素膜を形成す
る方法が提案されている。このグロー放電による形成方
法では、比較的大きなプラズマが均一に形成するため、
大面積の炭素膜を形成できるという利点がある一方で、
放電電流が低いためにプラズマ密度が低くなって炭素膜
の成膜速度が遅いという欠点がある。
の陰極の先端からアーク放電を行ってプラズマを形成
し、このプラズマにより陽極上の基板に炭素膜を形成す
る方法が提案されている。このアーク放電による形成方
法では、放電電流が大きいためにプラズマ密度が高く、
炭素膜の成膜速度が速いという利点がある一方で、陰極
の先端のみから放電が起きるために、プラズマの照射面
積が陰極自体の断面積より小さくなり、均一な炭素膜を
広い面積で形成することが困難であるという欠点があっ
た。また上記の陰極を複数個配列したとしても、プラズ
マの照射面積が陰極自体の断面積より小さいため、隣接
する陰極同士の間でプラズマの分布が生じて均一な炭素
膜の形成が困難であった。
板との間に中間グリッドを設け、中間グリッドにバイア
ス電圧を印加してプラズマの照射範囲を拡大させること
により、均一かつ大面積な炭素膜を得る方法が提案され
ている。
を設けたとしても、期待したほどプラズマの照射面積が
拡大されず、依然として均一かつ大面積の炭素膜の形成
が困難な状況であった。また、プラズマにより中間グリ
ッド自体がスパッタリングされて炭素膜に不純物が混入
するいわゆるコンタミネーションが発生する場合があっ
た。更に、中間グリッドの設置によってプラズマ成膜装
置の構造が複雑化し、プラズマ成膜装置自体のメンテナ
ンスが煩雑になるという問題もあった。
であって、簡単な構造で均一かつ大面積の炭素膜の形成
が可能なプラズマ成膜装置及び炭素膜の形成方法を提供
することを目的とする。
めに、本発明は以下の構成を採用した。本発明のプラズ
マ成膜装置は、反応ガスが導入される反応室と該反応室
内に配置された陽極と棒状の陰極とが少なくとも備えら
れ、前記陰極と前記陽極との放電により生成したプラズ
マを前記反応ガスに作用させて前記陽極上の基体に炭素
膜を形成するプラズマ成膜装置であり、前記陰極は、熱
電子放出特性の異なる複数の放電部から構成され、前記
の各放電部は前記陽極に接近するにつれて熱電子放出特
性が低下する順に配列されていることを特徴とする。
成する各放電部が前記陽極に接近するにつれて熱電子放
出特性の低下する順に配列されているので、陽極に近接
する部分のみならず陽極から離れた部分からも熱電子を
放出させることができ、これにより均一で大きなプラズ
マを形成することができ、均一かつ大面積な炭素膜の形
成が可能になる。また、中間グリッド等が設けられてい
ないため、構造が複雑にならず、メンテナンス等を容易
に行うことができる。
載のプラズマ成膜装置であって、前記陰極は、電源に接
続される端子部と、該端子部に接続される第1放電部
と、該第1放電部に接続される第2放電部と、該第2放
電部に接続される第3放電部とからなり、少なくとも各
放電部の表面が熱電子放出特性の異なる材料によりそれ
ぞれ構成され、各放電部の熱電子放電特性が、第1放電
部、第2放電部、第3放電部の順に低下するものである
ことを特徴とする。
成する各放電部の表面が、熱電子特性の異なる材料から
構成されているため、陽極から離れて位置する第1放電
部からも熱電子を放出させることができ、これにより均
一で大きなプラズマを形成することができ、均一かつ大
面積な炭素膜の形成が可能になる。
載のプラズマ成膜装置であって、前記陰極は、電源に接
続される端子部と、該端子部に接続される第1放電部
と、該第1放電部に接続される第2放電部と、該第2放
電部に接続される第3放電部とからなり、前記第2放電
部が第1放電部に隣接する高抵抗部と該高抵抗部に連結
する放電基部とから構成されるとともに、前記第3放電
部が第2放電部に隣接する高抵抗部と該高抵抗部に連結
する放電基部とから構成されていることを特徴とする。
部と第2放電部、及び第2放電部と第3放電部とがそれ
ぞれ高抵抗部を介して隣接するため、第1放電部から第
3放電部に至るまでの間に電気抵抗が高くなる。これに
より熱電子放出特性は、第3放電部よりも第2放電部
が、第2放電部よりも第1放電部が大きくなり、陽極か
ら離れて位置する第1放電部からも熱電子を放出させる
ことができ、これにより均一で大きなプラズマを形成す
ることができ、均一かつ大面積な炭素膜の形成が可能に
なる。
ガスが導入される反応室と該反応室内に配置された陽極
と棒状の陰極とが少なくとも備えられ、該陰極は、熱電
子放出特性の異なる複数の放電部から構成されるととも
に、前記の各放電部は前記陽極に接近するにつれて熱電
子放出特性が低下する順に配列されてなり、前記陰極と
前記陽極との放電により生成したプラズマを前記反応ガ
スに作用させて前記陽極上の基体に炭素膜を形成するこ
とを特徴とする。
成する各放電部が前記陽極に接近するにつれて熱電子放
出特性の低下する順に配列されているので、陽極に近接
する部分のみならず陽極から離れた部分からも熱電子を
放出させることができ、これによりこれにより均一で大
きなプラズマを形成することができ、均一かつ大面積な
炭素膜の形成が可能になる。
の第1の実施形態を図面を参照して説明する。図1には
本発明の第1の実施形態であるプラズマ成膜装置の模式
図を示す。このプラズマ成膜装置1は、反応ガスが導入
される反応室2と、反応室2内に配置された陽極3及び
棒状の陰極4と、直流電源5とを主体として構成されて
いる。反応室2には反応ガス導入部6が設けられてお
り、メタン、水素等の反応ガスを内部に導入できるよう
になっている。また、反応室2には排気口7が設けら
れ、この排気口7には図示しない真空ポンプ等の排気手
段が接続されていて、反応室2内を減圧雰囲気とするこ
とが可能になっている。
されるとともに、反応室2内部に設置されている。また
陽極3は試料ステージを兼ねており、陽極3上に基板8
が載置されている。また陽極3と基板8とは電気的に接
続された状態になっている。
の放電部から構成されている。即ち、直流電源5の負極
側に接続される端子部4aと、端子部4aに隣接する第
1放電部4bと、第1放電部4bに隣接して第1放電部
4bよりも熱電子放電特性が小さな第2放電部4cと、
第2放電部4cに隣接して第2放電部4cよりも熱電子
放電特性が小さな第3放電部4dとから構成されてい
る。この棒状の陰極4は、その長手方向が陽極3の電極
面3a及び基板8に対してほぼ垂直方向に一致するよう
に配置されている。そして第3放電部4dが陽極4及び
基板8に最も近接している。即ち、第1〜第3放電部4
b、4c、4dは、陽極3に接近するにつれて熱電子放
出特性が低下する順に配列されている。
の陰極4は、例えば熱電子特性が比較的小さなTa等の
金属棒4eの表面に、熱電子特性が異なる材料を被覆さ
せた構造を例示できる。即ち図2に示すように、Ta等
の金属棒4eの表面に対し、第1放電部4bに相当する
部分には1000K以上で熱電子放出が起きるBaO、
SrO等からなる層4fを被覆させ、第2放電部4cに
相当する部分には1900K以上で熱電子放出が起きる
ThO2を含むW等からなる層4gを被覆させ、第3放
電部4dに相当する部分にはTa等からなる金属棒4e
を露出させる。尚、Taは2600K以上で熱電子放出
が起きる性質がある。従って、第1放電部4bの熱電子
特性が最も大きく、ついで第2放電部4c、第3放電部
の順に熱電子特性が小さくなる。
マ形成の様子を示す。上記の陽極3及び陰極4に対し、
直流電源5から電流が一定の直流を印加すると、陰極4
の温度が徐々に上昇し、図3に示すように、最も熱電子
放出特性が大きな第1放電部4bから熱電子が放出さ
れ、陽極3との間でプラズマp1が形成される。更に直
流の印加を継続すると、陰極4の温度が更に上昇し、図
4に示すように、第1放電部4bに次いで熱電子放出特
性が大きな第2放電部4cから熱電子が放出され、陽極
3との間でプラズマp2が形成される。更に直流の印加
を継続すると、陰極4の温度が更に上昇し、図5に示す
ように、第3放電部4dから熱電子が放出され、陽極3
との間でプラズマp3が形成される。このように本発明
に係る陰極4においては、第1〜第3放電部4b、4
c、4dから熱電子が放出されてプラズマp1,p2,
p3が形成されるので、従来のように陰極の先端のみか
ら放電させる場合よりもプラズマを大きくすることがで
きる。
炭素膜を形成する方法について説明する。この方法は、
前記の陰極4と前記の陽極3との放電により生成したプ
ラズマを、反応室2内に導入した反応ガスに作用させ
て、陽極3上に載置した基板8に炭素膜を形成する方法
である。反応室2内部に導入する反応ガスとしては、例
えば、メタン、エタン等の炭化水素ガスと水素の混合ガ
スが好ましい。また炭化水素ガス以外に、分子内に酸
素、窒素、ハロゲン元素等を含む炭化水素ガスであって
も良い。反応室2内の圧力は0.5〜500Torrの
範囲が好ましい。特に、炭素膜としてダイヤモンド膜を
形成する場合は60〜200Torrの範囲とすること
が好ましい。
0.5〜10A程度の電流とすることがが好ましい。即
ち、異常グロー放電領域で放電を行うことが好ましい。
電流が0.5A未満では放電がグロー放電となり、炭素
膜の成膜速度が低下し、またダイヤモンド膜の形成が困
難になるので好ましくない。また電流が10Aを越える
と放電がアーク放電に移行し、陰極4の先端のみから放
電が生じ、プラズマの照射範囲が著しく狭くなるので好
ましくない。
設置し、反応室2内部に反応ガスを導入した上で減圧雰
囲気とし、直流電源5から陰極4及び陽極3に直流を印
加して放電させる。放電を開始すると、上述したよう
に、まず第1放電部4bから熱電子の放電が開始され、
陰極4の温度が上昇するにつれて第2放電部4c及び第
3放電部4dからも熱電子の放出が開始され、陰極4の
先端のみならず、陰極4のほぼ全面から熱電子が放出さ
れる。放出された熱電子が反応ガスに衝突してプラズマ
が形成され、このプラズマが基板8に照射されて基板8
上に炭素膜が形成される。尚、反応ガス種類や圧力等の
条件によってはダイヤモンド膜が形成される。
のほぼ全面から熱電子が放出させることにより、容積が
大きなプラズマを形成することができるので、均一かつ
大面積な炭素膜を形成することができる。また上記の炭
素膜の形成方法によれば、異常グロー放電の領域で放電
を行うため、成膜速度を早くできるとともに大きなプラ
ズマを形成することができ、均一な炭素膜を素早く形成
することができる。
形態を図面を参照して説明する。図6には本発明の第2
の実施形態であるプラズマ成膜装置11を示す。このプ
ラズマ成膜装置11は、反応ガスが導入される反応室2
と、反応室2内に配置された陽極3及び棒状の陰極14
と、直流電源5とを主体として構成されている。なお、
図6に示す反応室2と、陽極3及び直流電源5は、第1
の実施形態で説明した反応室、陽極及び直流電源と同一
の構成であるので、図1と同一符号を伏してその説明を
省略する。
陰極4と同様に、熱電子放出特性の異なる複数の放電部
から構成されている。即ち、直流電源5の負極側に接続
される端子部14aと、端子部14aに隣接する第1放
電部14bと、第1放電部14bに隣接して第1放電部
14bよりも熱電子放電特性が小さな第2放電部14c
と、第2放電部14cに隣接して第2放電部14cより
も熱電子放電特性が小さな第3放電部14dとから構成
されている。
極3の電極面3a及び基板8に対してほぼ垂直方向に一
致するように配置されている。そして第3放電部14d
が陽極4及び基板8に最も近接している。即ち、第1〜
第3放電部14b、14c、14dは、陽極3に接近す
るにつれて熱電子放出特性が低下する順に配列されてい
る。
る第2高抵抗部14eと、ここの第2高抵抗部に隣接す
る第2放電基部14fとから構成されている。更に第3
放電部14dは、第2放電部14cに隣接する第3高抵
抗部14gと、この第3高抵抗部14gに隣接する第3
放電基部14hとから構成されている。
び第3放電基部14hはいずれも、同一の材質からなる
ことが好ましく、例えば、熱電子放電特性が比較的低い
W等から形成される。また、第2,第3高抵抗部14
e、14gも同一の材料からなることが好ましく、特に
第1放電部14b、第2放電基部14f及び第3放電基
部14hよりも高抵抗な材質からなることが好ましく、
例えば、Ta等を例示できる。
bと第2放電基部14fとの間に第2高抵抗部14eが
配置され、第2放電基部14fと第3放電基部14hと
の間に第3高抵抗部14gが配置されているため、第1
放電部14bから第3放電基部14h(第3放電部14
d)に至るまでに電気抵抗が徐々に増加する構造になっ
ている。従って、第1放電部14bの熱電子特性が最も
大きく、ついで第2放電部14c、第3放電部14dの
順に熱電子特性が小さくなる。
ズマ形成の様子を示す。上記の陽極3及び陰極14に対
し、直流電源5から電流が一定の直流を印加すると、陰
極14の温度が徐々に上昇し、図7に示すように、最も
熱電子放出特性が大きな第1放電部14bから熱電子が
放出され、陽極3との間でプラズマp1が形成される。
更に直流の印加を継続すると、陰極14の温度が更に上
昇し、図8に示すように、第1放電部14bに次いで熱
電子放出特性が大きな第2放電部14cから熱電子が放
出され、陽極3との間でプラズマp2が形成される。更
に直流の印加を継続すると、陰極14の温度が更に上昇
し、図9に示すように、第3放電部14dから熱電子が
放出され、陽極3との間でプラズマp3が形成される。
このように本発明に係る陰極14においては、第1〜第
3放電部14b、14c、14dから熱電子が放出され
てプラズマp1。p2、p3が形成されるので、従来の
ように陰極の先端のみから放電させる場合よりもプラズ
マを大きくすることができる。
て炭素膜を形成する方法について説明する。この方法
は、前記の陰極14と前記の陽極3との放電により生成
したプラズマを、反応室2内に導入した反応ガスに作用
させて、陽極3上に載置した基板8に炭素膜を形成する
方法である。反応室2内部に導入する反応ガスとして
は、第1の実施形態と同様、炭化水素ガスと水素の混合
ガスが好ましい。また炭化水素ガス以外に、分子内に酸
素、窒素、ハロゲン元素等を含む炭化水素ガスであって
も良い。また、反応室2内の圧力、陽極3、陰極14に
印加する直流の大きさは、第1の実施形態の場合とほぼ
同等である。
設置し、反応室内部に反応ガスを導入した上で減圧雰囲
気とし、直流電源から陰極14及び陽極3に直流を印加
して放電させる。放電を開始すると、上述したように、
まず第1放電部14aから熱電子の放電が開始され、陰
極4の温度が上昇するにつれて第2放電部14c及び第
3放電部14dからも熱電子の放出が開始され、陰極4
の先端のみならず、陰極4のほぼ全面から熱電子が放出
される。放出された熱電子が反応ガスに衝突してプラズ
マが形成され、このプラズマが基板8に照射されて基板
8上に炭素膜が形成される。尚、反応ガス種類や圧力等
の条件によってはダイヤモンド膜が形成される。
実施形態の炭素膜の形成方法と同じ効果が得られる。
る。
mのTaよりなる電極棒を用意し、この電極棒の基端側
に外部電源に接続するための端子部を設けた。そして、
端子部に近い側の電極棒の表面にBaO層を形成して第
1放電部とし、第1放電部より電極棒の先端側にThO
2を2%含むW層を形成して第2電極部とし、電極棒の
先端部はTaを露出させて第3放電部とした。このよう
にして、図2に示す陰極を作成した。
置に組み込み、基板としてSi板を用意し、直流電源か
ら陰極に直流を印加してプラズマを発生させることによ
り、基板上に炭素膜を形成した。炭素膜の形成条件は次
の通りである。まず、反応ガスは水素とメタンの混合ガ
スとし、ガスの供給量は水素を300sccm、メタンを9
sccmとし、反応室内の圧力は60Torr(8.0kP
a)とした。基板は直径2インチ(約5cm)で厚さ1
mmのSi基板とし、陰極の先端と基板との距離は50
mmとし、陰極に印加する電流は5Aの定電流とし、成
膜時間は5時間とした。
第1放電部から電子の放出が開始するとともに陰極の温
度が1000K以上になり、更に電圧が700Vまで低
下した。更に電流を印加すると陰極先端部の温度が26
00Kに達し、電圧は400Vに低下して異常グロー放
電状態になった。この状態で陰極の第1〜第3放電部の
全ての領域で電子の放出が見られた。また、放電により
生成したプラズマは基板の全面に広がり、発光強度もプ
ラズマ全体で均一であった。また基板の中心部の温度は
約780℃まで上昇した。
基板全面に形成され、基板中心部で厚さ4μm、基板の
周辺部で厚さが3.7μmであった。即ち、ダイヤモン
ド膜の膜厚分布は最大で10%以内の範囲であった。
のWよりなる電極棒を3本用意し、各電極棒の間に厚さ
1mmのTa板をそれぞれ挟むことにより図6に示す陰
極を作成した。なお、Wの電気抵抗は5×10-8Ω・m
であり、Taの電気抵抗は13×10-8Ω・mであっ
た。これにより、陰極の端子部から先端に向けて抵抗値
が高くなるように構成された。
置に組み込み、基板としてSi板を用意し、直流電源か
ら陰極に直流を印加してプラズマを発生させることによ
り、基板上に炭素膜を形成した。尚、炭素膜の形成条件
は実施例1と同じであった。
第1放電部から電子の放出が開始するとともに陰極の温
度が1000K以上になり、更に電圧が800Vまで低
下した。更に電流を印加すると陰極先端部の温度が26
00Kに達し、電圧は600Vに低下して異常グロー放
電状態になった。この状態で陰極の第1〜第3放電部の
全ての領域で電子の放出が見られた。また、放電により
生成したプラズマは基板の全面に広がり、発光強度もプ
ラズマ全体で均一であった。また基板の中心部の温度は
約800℃まで上昇した。
基板全面に形成され、基板中心部で厚さ4.2μm、基
板の周辺部で厚さが3.6μmであった。即ち、ダイヤ
モンド膜の膜厚分布は最大で15%以内の範囲であっ
た。
mのW(タングステン)よりなる電極棒を用意し、これ
を陰極とした。上記の陰極を図1に示すプラズマ成膜装
置に組み込み、基板としてSi板を用意し、直流電源か
ら陰極に直流を印加してプラズマを発生させることによ
り、基板上に炭素膜を形成した。炭素膜の形成条件は、
実施例1の場合と同様であった。
陰極の先端から放電が開始され、電極の先端の温度は放
電開始から5秒で2800Kまで達した。先端部の温度
上昇とともに放電電圧が低下し、700Vで一定になっ
た。放電により生成したプラズマは陰極の断面積とほぼ
同じ大きさに広がり、発光強度もプラズマの周辺部と中
心部で分布が見られた。また、時折アーク放電状態にな
った。
が、大きさが直径約50mm程度の円形状の膜であり、
実施例1,2のように基板全面には形成されなかった。
またダイヤモンド膜の膜厚は、膜の中心部で6μm、膜
の周辺部で0μmであり、膜厚分布が極めて大きいもの
となった。更に、アーク放電の発生により、ダイヤモン
ド膜の一部に損傷が発生した。
ラズマ成膜装置では、放電が陰極の全体で発生したた
め、プラズマが大きくなり、ダイヤモンド膜を直径50
mm以上の大きさで形成することができ、しかもその膜
厚分布が10〜15%の範囲となり、均一かつ大面積の
ダイヤモンド膜の形成が可能であった。一方、比較例1
においては、放電が陰極の先端部のみで発生したため、
プラズマが小さくなってダイヤモンド膜の大きさが25
mm程度になり、しかもその膜厚分布は極めて大きく、
更にダイヤモンド膜の一部に損傷が発生し、均一かつ大
面積のダイヤモンド膜の形成が困難であった。
プラズマ成膜装置によれば、陰極を構成する各放電部が
前記陽極に接近するにつれて熱電子放出特性の低下する
順に配列されているので、陽極に近接する部分のみなら
ず陽極から離れた部分からも熱電子を放出させることが
でき、これによりプラズマの分布が小さくなって均一か
つ大面積な炭素膜を形成することができる。また、中間
グリッド等が設けられていないため、構造が複雑になら
ず、メンテナンス等を容易に行うことができる。
膜装置を示す模式図である。
を示す部分断面図である。
電状態を示す模式図である。
電状態を示す模式図である。
電状態を示す模式図である。
膜装置を示す模式図である。
電状態を示す模式図である。
電状態を示す模式図である。
電状態を示す模式図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 反応ガスが導入される反応室と該反応
室内に配置された陽極と棒状の陰極とが少なくとも備え
られ、前記陰極と前記陽極との放電により生成したプラ
ズマを前記反応ガスに作用させて前記陽極上の基体に炭
素膜を形成するプラズマ成膜装置であり、 前記陰極は、熱電子放出特性の異なる複数の放電部から
構成され、前記の各放電部は前記陽極に接近するにつれ
て熱電子放出特性が低下する順に配列されていることを
特徴とするプラズマ成膜装置。 - 【請求項2】 前記陰極は、電源に接続される端子部
と、該端子部に接続される第1放電部と、該第1放電部
に接続される第2放電部と、該第2放電部に接続される
第3放電部とからなり、 少なくとも各放電部の表面が熱電子放出特性の異なる材
料によりそれぞれ構成され、各放電部の熱電子放電特性
が、第1放電部、第2放電部、第3放電部の順に低下す
るものであることを特徴とする請求項1に記載のプラズ
マ成膜装置。 - 【請求項3】 前記陰極は、電源に接続される端子部
と、該端子部に接続される第1放電部と、該第1放電部
に接続される第2放電部と、該第2放電部に接続される
第3放電部とからなり、 前記第2放電部が第1放電部に隣接する高抵抗部と該高
抵抗部に連結する放電基部とから構成されるとともに、
前記第3放電部が第2放電部に隣接する高抵抗部と該高
抵抗部に連結する放電基部とから構成されていることを
特徴とする請求項1に記載のプラズマ成膜装置。 - 【請求項4】 反応ガスが導入される反応室と該反応
室内に配置された陽極と棒状の陰極とが少なくとも備え
られ、該陰極は、熱電子放出特性の異なる複数の放電部
から構成されるとともに、前記の各放電部は前記陽極に
接近するにつれて熱電子放出特性が低下する順に配列さ
れてなり、 前記陰極と前記陽極との放電により生成したプラズマを
前記反応ガスに作用させて前記陽極上の基体に炭素膜を
形成することを特徴とする炭素膜の形成方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2001074529A JP4218219B2 (ja) | 2001-03-15 | 2001-03-15 | プラズマ成膜装置及び炭素膜の形成方法 |
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