JP2005350763A - Film deposition system and film deposition method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カーボンナノチューブ、アモルファスカーボン、ナノダイヤモンド、カーボンナノファイバー、ナノクラスターカーボンなどのような炭素系の薄膜の形成に好適な成膜装置および成膜方法に関する。 The present invention relates to a film forming apparatus and a film forming method suitable for forming a carbon-based thin film such as carbon nanotube, amorphous carbon, nanodiamond, carbon nanofiber, and nanocluster carbon.
カーボンナノチューブやナノダイヤモンドのような炭素膜は、ＦＥＤ（Ｆield Ｅmission Ｄisplay）の電子エミッタや各種の電子源、バキュームマイクロエレクトロニクスなどの用途に使用できるために、注目されている。 Carbon films such as carbon nanotubes and nanodiamonds are attracting attention because they can be used for applications such as FED (Field Emission Display) electron emitters, various electron sources, and vacuum microelectronics.
従来、かかる炭素膜を基板上に成膜する装置として、プラズマＣＶＤ（Ｃhemical Ｖapor Ｄeposition）、レーザーアブレーション、イオンプレーティング、カソードアークなどが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、従来では、異なる特性の炭素膜を成膜するには、異なる設計の成膜装置を用いる必要があり、同一の成膜装置を用いて様々な特性の炭素膜を成膜することは困難であった。 However, conventionally, in order to form carbon films having different characteristics, it is necessary to use film forming apparatuses having different designs, and it is difficult to form carbon films having various characteristics using the same film forming apparatus. Met.
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、同一の成膜装置によって多種の炭素膜を成膜できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to allow various carbon films to be formed by the same film forming apparatus.
本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。 In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
すなわち、本発明の成膜装置は、陰極アーク放電によって陰極材料イオンを含むプラズマを生成して基板に成膜する成膜装置であって、前記陰極と前記基板との間隔を可変する可変手段を設けている。 That is, the film forming apparatus of the present invention is a film forming apparatus for generating a plasma containing cathode material ions by cathodic arc discharge to form a film on a substrate, and comprising a variable means for varying the distance between the cathode and the substrate. Provided.
この可変手段は、前記陰極を移動させる陰極移動手段および前記基板を移動させる基板移動手段の少なくとも一方を備えるのが好ましい。 The variable means preferably includes at least one of a cathode moving means for moving the cathode and a substrate moving means for moving the substrate.
本発明によると、陰極と基板との間の距離を可変できるので、材料特性やエミッタ特性などに影響を及ぼすパラメータであるイオン行程距離（Ｉon Ｔhrow Ｄistance）を調整することが可能となり、他のパラメータを適宜選択することにより、様々な特性の炭素膜の成膜が可能となる。 According to the present invention, since the distance between the cathode and the substrate can be varied, it is possible to adjust the ion stroke distance (Ion Throw Distance), which is a parameter affecting the material characteristics, the emitter characteristics, and the like. By appropriately selecting, carbon films having various characteristics can be formed.
この炭素膜は、基板や種々の形状のワイヤなどに成膜することができる。 This carbon film can be formed on a substrate, a wire of various shapes, or the like.
また、本発明の成膜方法は、陰極アーク放電によって陰極材料イオンを含むプラズマを生成して基板に成膜する成膜方法であって、 前記陰極と前記基板との間隔を可変して、ｓｐ２結合の多いグラファイト構造の炭素膜からｓｐ３結合の多いダイヤモンド構造の炭素膜までの前記ｓｐ２結合と前記ｓｐ３結合との混合比を異ならせた複数層の炭素膜を形成するものである。 The film forming method of the present invention is a film forming method for generating a plasma containing cathode material ions by cathode arc discharge to form a film on a substrate, wherein the distance between the cathode and the substrate is varied, and sp is to form a carbon film of 2 bonds often several layers having different mixing ratio of the said sp 3 bond and sp 2 bonds from the carbon film to the carbon film of high diamond structure of sp 3 bonds of the graphite structure .
本発明によると、陰極と基板との間の距離を可変して、材料特性やエミッタ特性などに影響を及ぼすパラメータであるイオン行程距離（Ｉon Ｔhrow Ｄistance）を調整するとともに、他のパラメータを適宜選択することにより、ｓｐ２結合とｓｐ３結合との混合比を異ならせた複数層の炭素膜を、同一の成膜装置によって成膜できることになる。 According to the present invention, the distance between the cathode and the substrate is varied to adjust the ion stroke distance (Ion Throw Distance), which is a parameter affecting the material characteristics and the emitter characteristics, and other parameters are appropriately selected. As a result, a plurality of carbon films having different mixing ratios of sp 2 bonds and sp 3 bonds can be formed by the same film forming apparatus.
また、本発明の成膜装置は、陰極アーク放電によって陰極材料イオンを含むプラズマを生成して基板に成膜する成膜装置であって、陰極材料の周囲に絶縁部材を介してトリガ電極を配置するとともに、前記陰極材料の近傍に、陽極を配置し、前記トリガ電極と陰極材料との間に高電圧を印加してトリガ放電を発生させ、前記陰極材料と前記陽極との間にアーク放電を誘起させる蒸着源を有し、前記トリガ電極と前記陰極材料との間でトリガ放電を発生させる放電ギャップを、複数備えている。 The film forming apparatus of the present invention is a film forming apparatus for generating a plasma containing cathode material ions by a cathode arc discharge to form a film on a substrate, and a trigger electrode is arranged around the cathode material via an insulating member. In addition, an anode is disposed in the vicinity of the cathode material, a high voltage is applied between the trigger electrode and the cathode material to generate a trigger discharge, and an arc discharge is generated between the cathode material and the anode. It has a plurality of discharge gaps that have an evaporation source to be induced and generate a trigger discharge between the trigger electrode and the cathode material.
本発明によると、トリガ放電を発生させる放電ギャップを複数備えているので、放電ギャップが一つである場合に比べて、陰極材料を、均一に消耗させることができ、さらに、陰極材料のイオン密度を高めて蒸着速度を高めることができるとともに、蒸着面積を広くすることができる。 According to the present invention, since a plurality of discharge gaps for generating a trigger discharge are provided, the cathode material can be consumed uniformly as compared with the case where there is only one discharge gap, and the ion density of the cathode material is further reduced. Can be increased to increase the deposition rate, and the deposition area can be increased.
好ましい実施態様においては、前記トリガ電極は、円筒状に形成されるとともに、前記陰極材料の外周を囲む円筒状の前記絶縁部材に外嵌され、前記トリガ電極の前記陽極側の端面には、径方向内方に突出するトリガ放電用の複数の突出部が、円周方向に沿って等間隔で形成されるものである。 In a preferred embodiment, the trigger electrode is formed in a cylindrical shape and is fitted on the cylindrical insulating member surrounding the outer periphery of the cathode material, and the end surface on the anode side of the trigger electrode has a diameter. A plurality of trigger discharge projections projecting inward in the direction are formed at equal intervals along the circumferential direction.
この実施態様によると、円周方向に沿って等間隔で複数の放電ギャップを構成されるので、陰極材料を、より均一に消耗させることができる。 According to this embodiment, since the plurality of discharge gaps are formed at equal intervals along the circumferential direction, the cathode material can be more evenly consumed.
本発明によれば、陰極と基板との間の距離を可変できるので、材料特性やエミッタ特性などに影響を及ぼすイオン行程距離（Ｉon Ｔhrow Ｄistance）を調整することが可能となり、様々な特性の炭素膜の成膜が可能となる。特に、ｓｐ２結合とｓｐ３結合との混合比を異ならせた多層の炭素膜を、同一の成膜装置によって比較的低温で成膜することができる。 According to the present invention, since the distance between the cathode and the substrate can be varied, it becomes possible to adjust the ion stroke distance (Ion Throw Distance) that affects the material characteristics, the emitter characteristics, etc. A film can be formed. In particular, a multi-layer carbon film having a different mixing ratio of sp 2 bonds and sp 3 bonds can be formed at a relatively low temperature by the same film forming apparatus.
また、トリガ放電を発生させる放電ギャップを複数備えているので、放電ギャップが一つである場合に比べて、陰極材料を、均一に消耗させることができ、さらに、陰極材料のイオン密度を高めて蒸着速度を高めることができるとともに、蒸着面積を広くすることができる。 In addition, since a plurality of discharge gaps for generating trigger discharge are provided, the cathode material can be consumed evenly compared to the case where there is only one discharge gap, and the ion density of the cathode material can be increased. The deposition rate can be increased and the deposition area can be increased.
以下、図面によって本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
（実施の形態１）
図１は、本発明の一つの実施の形態に係る成膜装置の概略構成図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a film forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
この実施の形態の成膜装置１は、垂直型の真空チャンバ２を備えており、この真空チャンバ２内の下方位置には、カソードアークプラズマを生成して真空アーク蒸着を行うための蒸着源２０が設けられている。 The film forming apparatus 1 of this embodiment includes a vertical vacuum chamber 2, and a deposition source 20 for generating a cathode arc plasma and performing vacuum arc deposition at a lower position in the vacuum chamber 2. Is provided.
この蒸着源２０は、中央部に貫通孔４ａを有する円筒状のカソード４を備えており、このカソード４は、その直径が、例えば、２０ｍｍ程度であって、成膜材料（陰極材料）であるターゲットで構成されており、このターゲットとしては、例えば、ＤＬＣ（Ｄiamond Ｌike Ｃarbon）等の炭素膜を成膜する場合には、グラファイトターゲットが用いられる。 The vapor deposition source 20 includes a cylindrical cathode 4 having a through-hole 4a in the center. The cathode 4 has a diameter of, for example, about 20 mm and is a film forming material (cathode material). For example, when a carbon film such as DLC (Diamond Like Carbon) is formed, a graphite target is used as the target.
カソード４には、その外周に、円筒形状の絶縁リング５を介してトリガリング３が設けられており、周方向に沿って延びるトリガリング３の両端面間に、図２の平面図に示すように、放電用のアークギャップ６が上下方向に沿って形成されている。すなわち、トリガリング３は、厳密には、完全なリングではなく、アークギャップ６によって分離されている。この実施の形態では、絶縁リング５は、例えば、アルミナからなり、トリガリング３は、例えば、ニッケル合金であるインコネルからなる。 As shown in the plan view of FIG. 2, the cathode 4 is provided with a trigger ring 3 on its outer periphery via a cylindrical insulating ring 5 between both end faces of the trigger ring 3 extending along the circumferential direction. In addition, an arc gap 6 for discharge is formed along the vertical direction. That is, the trigger ring 3 is not strictly a complete ring but is separated by an arc gap 6. In this embodiment, the insulating ring 5 is made of alumina, for example, and the trigger ring 3 is made of inconel, which is a nickel alloy, for example.
これらの上方には、環状のアノードリング２１が配置されており、この実施の形態では、このアノードリング２１は、例えば、グラファイトからなる。 Above these, an annular anode ring 21 is arranged. In this embodiment, the anode ring 21 is made of, for example, graphite.
カソード４とトリガリング３との間には、パルス状の高電圧を瞬間的に印加するトリガ電源７が接続されており、アノードリング２１とカソード４との間には、アーク放電を形成するための電圧を印加するアーク電源２２が接続されている。 A trigger power source 7 that instantaneously applies a pulsed high voltage is connected between the cathode 4 and the trigger ring 3, and an arc discharge is formed between the anode ring 21 and the cathode 4. An arc power source 22 is connected to apply a voltage of.
図３は、このトリガ電源７およびアーク電源２２の電圧波形を示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing voltage waveforms of the trigger power source 7 and the arc power source 22.
トリガ電源７は、図３の細い実線で示されるように、例えば、１ｋＶ〜１２．５ｋＶ、１０Ａでパルス幅４０μｓのトリガパルスＴｉを出力する高電圧低電流の電源であり、アーク電源２２は、図３の太い実線で示されるように、例えば、１００Ｖ、１００Ａ〜５００Ａで、周波数が１〜１０Ｈｚ、パルス幅が５００μｓ〜５０００μｓのアークパルスＴａを出力する低電圧高電流の電源であり、両パルスＴｉ，Ｔａは、同期している。 The trigger power supply 7 is a high-voltage low-current power supply that outputs a trigger pulse Ti with a pulse width of 40 μs at 1 A to 12.5 kV, 10 A, for example, as indicated by a thin solid line in FIG. As shown by a thick solid line in FIG. 3, for example, a low voltage high current power source that outputs an arc pulse Ta of 100 V, 100 A to 500 A, a frequency of 1 to 10 Hz, and a pulse width of 500 μs to 5000 μs. Ti and Ta are synchronized.
以上のような構成を有する蒸着源２０に対向するように、真空チャンバ２内の上方には、基板８が配置されており、この基板８には、高周波あるいは直流のバイアス電源９が接続され、この例では、絶縁基板に好適な高周波バイアス電源９が接続されている。基板８を保持する基板ホルダ１１は、基板８を３５０℃まで加熱することができる。 A substrate 8 is disposed above the vacuum chamber 2 so as to face the vapor deposition source 20 having the above configuration, and a high-frequency or DC bias power source 9 is connected to the substrate 8. In this example, a high-frequency bias power source 9 suitable for an insulating substrate is connected. The substrate holder 11 that holds the substrate 8 can heat the substrate 8 to 350 ° C.
この実施の形態の成膜装置１では、対角サイズが３００ｍｍまでの基板８を保持することができ、図示しない真空排気装置によって、１０−７ｔｏｒｒまで真空引きすることができる。 In the film forming apparatus 1 of this embodiment, the substrate 8 having a diagonal size of up to 300 mm can be held, and can be evacuated to 10 −7 torr by a vacuum exhaust device (not shown).
真空チャンバ２の外周には、コイル１０が巻回されて磁界を供給するための電磁石が形成されている。この真空チャンバ２内には、下方のガス供給口１１から水素ガスやヘリウムガスなどのプロセスガスが供給される。 On the outer periphery of the vacuum chamber 2, an electromagnet for supplying a magnetic field by winding the coil 10 is formed. A process gas such as hydrogen gas or helium gas is supplied into the vacuum chamber 2 from the lower gas supply port 11.
この成膜装置１では、トリガ電源７により、カソード４とトリガリング３間に高電圧のパルスを瞬間的に印加すると、絶縁リング５の表面を介してトリガ放電としての沿面放電が発生し、これが引金となって、アノードリング２１とカソード４との間でアーク放電が発生する。すなわち、この実施の形態では、沿面放電をトリガとし、アーク放電を誘起させる。アーク放電が発生すると、カソード（ターゲット）４が瞬時に蒸発してイオン化され、ターゲット表面付近にプラズマが生成される。このプラズマ中のイオンを、上方の基板８に導いて堆積させて薄膜を形成するものである。 In this film forming apparatus 1, when a high voltage pulse is instantaneously applied between the cathode 4 and the trigger ring 3 by the trigger power source 7, creeping discharge as a trigger discharge is generated through the surface of the insulating ring 5. As a trigger, an arc discharge occurs between the anode ring 21 and the cathode 4. That is, in this embodiment, creeping discharge is used as a trigger to induce arc discharge. When arc discharge occurs, the cathode (target) 4 is instantly evaporated and ionized, and plasma is generated in the vicinity of the target surface. The ions in the plasma are guided and deposited on the upper substrate 8 to form a thin film.
このように高電圧のパルス電圧を印加してトリガ放電を生じさせるので、カソード４に、ストライカ（トリガロッド）と称される電極を機械的に接離させてアーク放電を誘発させる従来例（例えば、特開２００２−２７９６０５）のように、ストライカの消耗によって、トリガの回数が制限されたりすることがない。、
この実施の形態では、当該成膜装置１で様々な特性の炭素膜を成膜できるように、基板８が取り付けられる基板ホルダ１１は、垂直方向に延びる真空チャンバ２に沿って矢符Ａで示されるように上下方向に４００ｍｍ移動可能に構成される一方、カソード（陰極）４も矢符Ｂで示されるように上下方向に１０ｍｍ移動可能に構成されている。
Since a trigger discharge is generated by applying a high voltage pulse voltage in this way, a conventional example in which an electrode called a striker (trigger rod) is mechanically connected to and separated from the cathode 4 to induce arc discharge (for example, As described in JP-A-2002-279605), the number of triggers is not limited by the exhaustion of the striker. ,
In this embodiment, the substrate holder 11 to which the substrate 8 is attached is indicated by an arrow A along the vacuum chamber 2 extending in the vertical direction so that the film forming apparatus 1 can form carbon films having various characteristics. As shown by arrow B, the cathode (cathode) 4 is also configured to be movable 10 mm in the vertical direction.
したがって、この実施の形態の成膜装置１では、基板８とカソード４との間の距離を、可変設定することが可能である。 Therefore, in the film forming apparatus 1 of this embodiment, the distance between the substrate 8 and the cathode 4 can be variably set.
このように基板８とカソード４との間の距離を可変設定することにより、材料特性やエミッタ特性などに影響を及ぼすパラメータであるイオン行程距離（Ｉon Ｔhrow Ｄistance）を調整することが可能となる。 By variably setting the distance between the substrate 8 and the cathode 4 in this way, it is possible to adjust the ion stroke distance (Ion Throw Distance), which is a parameter affecting the material characteristics, the emitter characteristics, and the like.
また、この実施の形態では、高周波バイアス電源９によって、成膜工程中に基板８に高周波バイアス電圧を印加して基板８へのイオン加速度等を制御することができる。更に、この高周波バイアス電源９によって、成膜の前後で基板８を表面処理して所期通りのエミッタ性能を達成するため、エネルギの小さいプラズマを発生させることができる。 In this embodiment, the high-frequency bias power supply 9 can control the ion acceleration to the substrate 8 by applying a high-frequency bias voltage to the substrate 8 during the film forming process. Further, since the high-frequency bias power source 9 performs surface treatment on the substrate 8 before and after film formation to achieve the desired emitter performance, plasma with low energy can be generated.
この実施の形態のカソードアーク成膜装置１は、従来公知のプロセスパラメータ、例えば、基板の温度、反応性相互作用のための様々なガスフロー、イオンエネルギーの変更、荷電イオンによる基板表面の物理的なエッチング／クリーニング、イオンビーム制御（イオンビーム電流、始動電圧）、基板バイアス（基板に向かうイオンの加速）、マクロ粒子用のフィルタリング用の電磁界、蒸着レート、蒸着時間を選択することができる。 The cathode arc film forming apparatus 1 according to this embodiment is configured by a conventionally known process parameter, for example, substrate temperature, various gas flows for reactive interaction, change of ion energy, physical surface of the substrate by charged ions. Etching / cleaning, ion beam control (ion beam current, starting voltage), substrate bias (acceleration of ions towards the substrate), filtering electromagnetic field for macro particles, deposition rate, deposition time can be selected.
図４は、この実施の形態の成膜装置１において、同様のガス分圧等の条件の下、基板８とカソード４との間の距離を、１５０ｍｍから２２０ｍｍまで可変したときに得られる炭素膜のＳＥＭ像を示している。 FIG. 4 shows a carbon film obtained when the distance between the substrate 8 and the cathode 4 is varied from 150 mm to 220 mm under the same conditions such as gas partial pressure in the film forming apparatus 1 of this embodiment. The SEM image of is shown.
同図において、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）の順で、距離が大きくなっている。 In the figure, the distance increases in the order of (a), (b), (c), (d).
この図４に示されるように、基板８とカソード４との間の距離、すなわち、イオン行程距離を大きくすると、クラスタ特性が減り、アモルファス相が増大する。したがって、この実施の形態の成膜装置１では、イオン行程距離を可変させることができるので、ナノクラスタを良好に成長させることができる。 As shown in FIG. 4, when the distance between the substrate 8 and the cathode 4, that is, the ion stroke distance is increased, the cluster characteristics are reduced and the amorphous phase is increased. Therefore, in the film forming apparatus 1 of this embodiment, since the ion stroke distance can be varied, nanoclusters can be grown well.
この実施の形態の成膜装置は、例えば、図５に示される低電界電子エミッタの製造に好適である。 The film forming apparatus of this embodiment is suitable for manufacturing the low field electron emitter shown in FIG. 5, for example.
この電子エミッタは、ヘテロ構造であり、基板１３上には、バックコンタクト１４が形成されており、このバックコンタクト１４上には、シーディングされたナノダイヤモンド層１５、ｓｐ２結合が多いナノクラスターカーボンのオーバーコート層１６およびｓｐ３結合を有する四面体アモルファスカーボンの薄いオーバー層１７からなる。 This electron emitter has a heterostructure, and a back contact 14 is formed on the substrate 13. A seeded nanodiamond layer 15 and nanocluster carbon having many sp 2 bonds are formed on the back contact 14. The overcoat layer 16 and the thin overlayer 17 of tetrahedral amorphous carbon having sp 3 bonds.
このようにｓｐ２結合の多いグラファイト構造の炭素膜からｓｐ３結合の多いダイヤモンド構造の炭素膜までのｓｐ２結合とｓｐ３結合との混合比を異ならせた多層の炭素膜を形成することができる。 Thus to form the multilayer carbon films having different mixing ratio of sp 2 bonds and sp 3 bonds from the carbon film of high graphite structure of sp 2 bonded to the carbon film of high diamond structure of sp 3 bond it can.
図６は、この実施の形態の成膜装置１によって、ガラス基板上に成長された多層へテロ構造の電子エミッタの電子放出特性を示すものであり、縦軸は電流密度を、横軸は電界をそれぞれ示している。 FIG. 6 shows the electron emission characteristics of an electron emitter having a multilayer heterostructure grown on a glass substrate by the film forming apparatus 1 of this embodiment. The vertical axis represents current density, and the horizontal axis represents electric field. Respectively.
この図に示されるように、この実施の形態の成膜装置１によって得られる電子エミッタは、極めて低い電界で良好な電子放出特性を示している。 As shown in this figure, the electron emitter obtained by the film forming apparatus 1 of this embodiment shows good electron emission characteristics at an extremely low electric field.
また、この実施の形態の成膜装置１によって、上述の図５に対応する図７に示されるように、必要に応じて電流制限層１８を設けた多層構造の電子エミッタとしてもよい。 Further, as shown in FIG. 7 corresponding to FIG. 5 described above, the film forming apparatus 1 of this embodiment may be an electron emitter having a multilayer structure provided with a current limiting layer 18 as necessary.
図８は、この実施の形態の成膜装置１によって室温成長によって得られた炭素膜のＳＥＭ像である。同図において、（ａ）はヘリウム無しの場合の平滑な炭素膜、（ｂ）はヘリウム分圧が、０．０５ｔｏｒｒのナノクラスタの炭素膜、（ｃ）はヘリウム分圧が５０ｔｏｒｒの繊維状の炭素膜、(ｄ)は１００℃の場合のナノピラーである。 FIG. 8 is an SEM image of the carbon film obtained by room temperature growth by the film forming apparatus 1 of this embodiment. In this figure, (a) is a smooth carbon film without helium, (b) is a nanocluster carbon film with a helium partial pressure of 0.05 torr, and (c) is a fibrous film with a helium partial pressure of 50 torr. The carbon film, (d), is a nanopillar at 100 ° C.
ここで、ナノクラスタの炭素膜の成膜に好適な製造条件について説明する。 Here, manufacturing conditions suitable for forming a carbon film of nanoclusters will be described.
ナククラスタの炭素膜を成膜するには、基板８とカソード４との間の距離は、１００ｍｍ〜２００ｍｍ、ガス圧力は、１０−３〜２００Ｔｏｒｒ、温度は、０〜３００℃、イオンエネルギーは、３０ｅＶ以下の範囲にあるのが好ましい。 In order to form a carbon film of nac cluster, the distance between the substrate 8 and the cathode 4 is 100 mm to 200 mm, the gas pressure is 10 −3 to 200 Torr, the temperature is 0 to 300 ° C., and the ion energy is 30 eV. It is preferable to be in the following range.
この成膜装置１では、従来の成膜装置に比べて、０〜３００℃という比較的低温で、ナノクラスタの炭素膜を成膜することができる。 The film forming apparatus 1 can form a nanocluster carbon film at a relatively low temperature of 0 to 300 ° C. as compared with a conventional film forming apparatus.
また、図９には、比較的ｓｐ３結合が多い膜、ｓｐ２結合が多い膜およびシーディングに用いたナノダイヤモンドのラマン応答を示している。 FIG. 9 shows the Raman response of a film with relatively many sp 3 bonds, a film with many sp 2 bonds, and nanodiamond used for seeding.
これらの膜を組み合わせて良好な電界放出特性の照明を得ることができた。 By combining these films, it was possible to obtain illumination with good field emission characteristics.
（実施の形態２）
図１０は、本発明の他の実施の形態に係る成膜装置の概略構成図であり、図１に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
(Embodiment 2)
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a film forming apparatus according to another embodiment of the present invention, in which parts corresponding to those in FIG.
この実施の形態の成膜装置１−１は、蒸着源２０−１および後述のガス供給口に特徴を有している。 The film forming apparatus 1-1 of this embodiment is characterized by an evaporation source 20-1 and a gas supply port described later.
すなわち、この実施の形態の蒸着源２０−１は、上述の実施の形態と同様に、中央部に貫通孔４ａを有する円筒状のカソード４と、このカソード４の外周に設けられた絶縁リング５を有するとともに、その上方には、環状のアノードリング２１が配置されている。 That is, the vapor deposition source 20-1 of this embodiment includes a cylindrical cathode 4 having a through hole 4a in the center and an insulating ring 5 provided on the outer periphery of the cathode 4 as in the above-described embodiment. And an annular anode ring 21 is disposed above the ring.
この実施の形態では、トリガリング３−１は、上述の実施の形態と異なり、完全な円筒状であって、絶縁リング５に外嵌されており、その上端には、図１１の平面図および図１２の要部の断面図に示されるように、円周方向の３箇所に、内方に突出してトリガ放電用のギャップを形成する突出部が形成されている。 In this embodiment, unlike the above-described embodiment, the trigger ring 3-1 has a complete cylindrical shape and is externally fitted to the insulating ring 5. As shown in the cross-sectional view of the main part of FIG. 12, projecting portions that project inward to form a gap for trigger discharge are formed at three locations in the circumferential direction.
このトリガリング３−１の直径は、絶縁リング５の外径に応じて決定される。 The diameter of the trigger ring 3-1 is determined according to the outer diameter of the insulating ring 5.
この突出部３−１ａの形状は、この実施の形態では、四角柱のワイヤ状であるが、図１３あるいは図１４に示すように、円柱状、あるいは、先端が尖鋭な円柱状であってもよい。 In this embodiment, the shape of the protruding portion 3-1a is a quadrangular wire, but as shown in FIG. 13 or FIG. 14, a cylindrical shape or a cylindrical shape with a sharp tip may be used. Good.
また、この実施の形態では、突出部３−１ａの先端は、図１２に示すように、絶縁リング５の上方まで突出しているが、図１５に示すように、カソード４の上方まで突出するものであってもよい。 Further, in this embodiment, the tip of the protruding portion 3-1a protrudes above the insulating ring 5 as shown in FIG. 12, but protrudes above the cathode 4 as shown in FIG. It may be.
突出部の形状および突出量は、ターゲットの材料等によって適宜選択すればよい。 What is necessary is just to select suitably the shape and protrusion amount of a protrusion part by the material of a target, etc.
その他は、上述の実施の形態と同様であり、カソード４とトリガリング３−１との間、および、アノードリング２１とカソード４との間には、トリガ電源７およびアーク電源２２がそれぞれ接続されており、上述の実施の形態と同様に、図３に示されるトリガパルスＴｉおよびアークパルスＴａが印加される。 Others are the same as in the above-described embodiment, and the trigger power source 7 and the arc power source 22 are connected between the cathode 4 and the trigger ring 3-1 and between the anode ring 21 and the cathode 4, respectively. Similarly to the above-described embodiment, the trigger pulse Ti and the arc pulse Ta shown in FIG. 3 are applied.
上述の実施の形態では、アークギャップ６が、トリガリング３の円周方向の一箇所しか設けられていなかったので、図１６に示すように、カソード４のトリガ放電の部分が、局所的に著しく消耗してしまう。 In the above-described embodiment, since the arc gap 6 is provided only at one place in the circumferential direction of the trigger ring 3, as shown in FIG. It will be exhausted.
このため、カソード４が或る程度消耗したらカソード４を回転させて使用しなければならず、生産性が悪いといった難点がある。 For this reason, when the cathode 4 is consumed to a certain extent, the cathode 4 must be rotated and used, resulting in poor productivity.
これに対して、この実施の形態では、トリガリング３−１には、円周方向に沿って等間隔で３箇所にトリガ放電用の突出部３−１ａが形成されており、図１７に示すように、各箇所でトリガ放電が生じるので、カソード４が３箇所から均一に消耗するとともに、上述の実施の形態に比べて、イオン密度も高まり、蒸着速度も向上するとともに、より均一で、広い面積の蒸着が可能となる。 On the other hand, in this embodiment, the trigger ring 3-1 is provided with three trigger discharge protrusions 3-1 a at equal intervals along the circumferential direction, as shown in FIG. 17. As described above, since the trigger discharge occurs at each location, the cathode 4 is uniformly consumed from 3 locations, and the ion density is increased and the deposition rate is improved as compared with the above-described embodiment. Area deposition is possible.
なお、トリガリングおよび絶縁リングの少なくとも一方を回転させるように構成し、カソードの消耗に応じて回転させてもよい。 Note that at least one of the trigger ring and the insulating ring may be configured to rotate, and may be rotated according to the consumption of the cathode.
また、本発明の他の実施の形態として、例えば、円周方向の５箇所に、トリガ放電用の突出部を設けてもよいし、さらに、多数の突出部を設けるようにしてもよい。 Further, as another embodiment of the present invention, for example, protrusions for trigger discharge may be provided at five locations in the circumferential direction, and a number of protrusions may be provided.
また、この実施の形態では、真空チャンバ２の下方の第１のガス供給口１１とは別に、蒸着源２０−１の近傍の真空チャンバ２の側壁に、第２のガス供給口２３を備えるとともに、真空チャンバ２の上方に第３のガス供給口２４を備えている。 In this embodiment, in addition to the first gas supply port 11 below the vacuum chamber 2, a second gas supply port 23 is provided on the side wall of the vacuum chamber 2 near the vapor deposition source 20-1. A third gas supply port 24 is provided above the vacuum chamber 2.
第１のガス供給口１１は、イオン化するガスとそれより多量の不活性ガス、例えば、水素ガス、窒素ガスおよびヘリウムガスを供給し、第２のガス供給口２３は、上記と同様の組成のガスあるいは不活性ガスのみを供給し、第３のガス供給口２４は、不活性ガスのみを供給する。 The first gas supply port 11 supplies a gas to be ionized and a larger amount of inert gas, for example, hydrogen gas, nitrogen gas and helium gas, and the second gas supply port 23 has the same composition as described above. Only the gas or the inert gas is supplied, and the third gas supply port 24 supplies only the inert gas.
第２のガス供給口２３から蒸着源２０−１の近傍に供給される不活性ガスは、基板８に向かうイオンを減速させる効果を有し、第３のガス供給口２４から基板８の近傍に供給される不活性ガスは、基板８を冷却する効果を有するとともに、不所望にマイクロパーティクルが基板８に向かうのを防止する効果を有する。 The inert gas supplied from the second gas supply port 23 to the vicinity of the vapor deposition source 20-1 has an effect of decelerating ions toward the substrate 8, and from the third gas supply port 24 to the vicinity of the substrate 8. The supplied inert gas has an effect of cooling the substrate 8 and has an effect of preventing the microparticles from moving toward the substrate 8 undesirably.
その他の構成および効果は、上述の実施の形態と同様であるので、その説明は、省略する。 Since other configurations and effects are the same as those of the above-described embodiment, the description thereof is omitted.
（その他の実施の形態）
上述の実施の形態では、ターゲットとして、カーボンを用いた場合について説明したけれども、本発明は、カーボン以外のターゲット等を適用することにより、例えば、窒化チタン、酸化チタン、酸化ジルコニウム等の他の薄膜の成膜にも適用できるものである。
(Other embodiments)
In the above-described embodiment, the case where carbon is used as the target has been described. However, the present invention applies other thin films such as titanium nitride, titanium oxide, and zirconium oxide by applying a target other than carbon. It can also be applied to the film formation.
上述の実施の形態では、突出部を複数設けたけれども、本発明の他の実施の形態として、上述の実施の形態１と同様の放電用のアークギャップ６を複数設けてもよい。 In the above-described embodiment, a plurality of protrusions are provided. However, as another embodiment of the present invention, a plurality of discharge arc gaps 6 similar to those in the above-described first embodiment may be provided.
本発明においては、カソードとトリガ放電用の突出部との間の印加電力の効果的な分配、あるいは、複数のトリガポイント間のアークの発生の抑制などを考慮するのが好ましく、トリガ放電用の突出部の数や寸法は、カソードのサイズや印加電力に応じて、適宜選択される。 In the present invention, it is preferable to consider the effective distribution of the applied power between the cathode and the trigger discharge protrusion, or the suppression of the occurrence of an arc between a plurality of trigger points. The number and dimensions of the protrusions are appropriately selected according to the size of the cathode and the applied power.
本発明は、電子エミッタなどの炭素膜の成膜に有用である。 The present invention is useful for forming a carbon film such as an electron emitter.
１，１−１ 成膜装置 ２ 真空チャンバ
３，３−１ トリガリング ４ カソード（ターゲット）
５ 絶縁リング ７ トリガ電源
８ 基板 ９ 高周波バイアス電源
２１ アノードリング ２２ アーク電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1-1 Film-forming apparatus 2 Vacuum chamber 3,3-1 Trigger ring 4 Cathode (target)
5 Insulation ring 7 Trigger power supply 8 Substrate 9 High frequency bias power supply
21 Anode ring 22 Arc power supply
Claims (6)
前記陰極と前記基板との間隔を可変する可変手段を設けたことを特徴とする成膜装置。 A film forming apparatus for generating a plasma containing cathode material ions by cathodic arc discharge to form a film on a substrate,
A film forming apparatus comprising a variable means for changing a distance between the cathode and the substrate.
前記陰極と前記基板との間隔を可変して、ｓｐ２結合の多いグラファイト構造の炭素膜からｓｐ３結合の多いダイヤモンド構造の炭素膜までの前記ｓｐ２結合と前記ｓｐ３結合との混合比を異ならせた複数層の炭素膜を形成することを特徴とする成膜方法。 A film forming method for generating a film containing cathode material ions by a cathode arc discharge to form a film on a substrate,
By changing the distance between the cathode and the substrate, the mixing ratio of the sp 2 bond and the sp 3 bond from the carbon film having a graphite structure having many sp 2 bonds to the carbon film having a diamond structure having many sp 3 bonds is changed. A film forming method comprising forming a plurality of different carbon films.
陰極材料の周囲に絶縁部材を介してトリガ電極を配置するとともに、前記陰極材料の近傍に、陽極を配置し、前記トリガ電極と陰極材料との間に高電圧を印加してトリガ放電を発生させ、前記陰極材料と前記陽極との間にアーク放電を誘起させる蒸着源を有し、
前記トリガ電極と前記陰極材料との間でトリガ放電を発生させる放電ギャップを、複数備えることを特徴とする成膜装置。 A film forming apparatus for generating a plasma containing cathode material ions by cathodic arc discharge to form a film on a substrate,
A trigger electrode is disposed around the cathode material through an insulating member, an anode is disposed in the vicinity of the cathode material, and a high voltage is applied between the trigger electrode and the cathode material to generate a trigger discharge. An evaporation source for inducing an arc discharge between the cathode material and the anode;
A film forming apparatus comprising a plurality of discharge gaps for generating a trigger discharge between the trigger electrode and the cathode material.
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