JP2008144249A - 成膜装置および該成膜装置に用いる筒状陰極での異常放電発生防止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷陰極材料に用いた場合にその冷陰極のＩＶ特性を改善できる炭素膜を成膜することができる成膜装置を提供すること。
【解決手段】真空成膜室６と、この真空成膜室６内に配置され内部に直流プラズマを発生し当該内部に配置した基板（導電性ワイヤ）１０表面に成膜するための筒状陰極８とを備え、上記直流プラズマによりガスが分解して成膜が行われる過程で筒状陰極８に周期的にパルス状正電圧Ｖ２を印加する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電界放射型冷陰極材料としての炭素膜を成膜する成膜装置および該成膜装置に用いる筒状陰極での異常放電発生防止方法に関するものである。

電界放射は電界集中により電子が真空に放射される現象であり、この電界放射により電子放出を行う電界放射型冷陰極（以下、冷陰極）材料として例えばカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が近年注目を集めその開発が進められてきている。ＣＮＴは、極めて細長く高アスペクト比のために冷陰極材料とした場合、電界放射特性に優れた冷陰極を得ることができるとされている。

電界放射特性（電流電圧（ＩＶ）特性）とは、陽極と冷陰極との間に電圧Ｖを印加して冷陰極から電界放射する際の、電圧Ｖと電界放射電流（エミッション電流）Ｉとの関係を示す曲線により示される特性であり、電界放射を開始する電圧（閾値）や、上記曲線の傾きや形状で特徴づけられる。

このような冷陰極を蛍光体付きの陽極に対向配置し、冷陰極と陽極との間に電圧を印加して冷陰極から電界放射により電子を放出させ、この放出した電子を蛍光体に加速衝突させて蛍光体を励起発光させる冷陰極蛍光ランプがある。

この蛍光体の発光には所定量の電子放出が必要である。この電子放出量を示すエミッション電流を縦軸に、陽陰極間の電圧を横軸にして示す電流電圧（ＩＶ）特性曲線は冷陰極の電子放出性能を示している。ＣＮＴの場合、上記ＩＶ特性曲線の傾きが緩やかに立ち上がってくる。そのため、ＣＮＴでは蛍光体が発光を開始させるためのエミッション電流を得るのに必要な電圧Ｖは高くなる。

そこで、より低い印加電圧Ｖで蛍光体を発光開始させることができるＩＶ特性を提供する冷陰極用の炭素膜の実現が望まれている。

本出願人は、ＣＮＴよりもＩＶ特性に優れた冷陰極用の炭素膜を導電性ワイヤ等の基板表面に成膜する技術を開発してきている。以下に説明する成膜装置は本出願人が開発したものである。

以下、図４を参照して説明すると、この成膜装置１は、ガス導入系２と真空排気系４とを備えた真空成膜室６と、真空成膜室６内部に配置された筒状陰極８とを有する。この筒状陰極８の周壁は螺旋状（コイル状）をなしている。筒状陰極８の内部空間には成膜対象である基板として導電性ワイヤ１０が配置される。筒状陰極８は、その内部空間にプラズマを閉じ込め状態で生成する。この意味で筒状陰極８は、プラズマ閉じ込め型陰極と称することができる。

筒状陰極８は直流電源１２の負極に接続されている。この直流電源１２の正極は接地される。導電性ワイヤ１０は交流電源１４で通電加熱されかつ直流電源１６により直流バイアスが印加されるようになっている。

以上の構成を備えた成膜装置１において、真空排気系４で真空成膜室６内を減圧しかつガス導入系２から炭素膜成膜用ガスを導入し、直流電源１２からの直流負電圧を筒状陰極８に印加すると、筒状陰極８の内部空間にプラズマ１８が閉じ込め状態で発生する。これにより、筒状陰極８内に導入した炭素膜成膜用ガスが分解され、その分解した炭素成分が筒状陰極８内に配置した導電性ワイヤ１０の表面に成膜されるようになっていた。

しかしながら、真空成膜室６内の真空圧は１０００〜２０００Ｐａの範囲に制限されていた。この制限は、真空圧が２０００Ｐａを超えると、筒状陰極８から異常放電が発生し、導電性ワイヤ１０表面に炭素膜が成膜されなかったり、成膜されてもその膜質が劣化する原因となるからであった。

異常放電の発生について本出願人が研究したところ、プラズマ発生により分解された炭素物質は導電性ワイヤ１０だけでなく筒状陰極８表面にも付着しやすくなる。この筒状陰極８に付着した炭素物質はアモルファス状の炭素物質であるために、電荷がチャージアップしやすく、その電荷のチャージアップ量が一定値を超えたときに放電することが原因していたと考えられる。

そのため、真空圧は本出願人が実験した所に拠れば上記異常放電発生を防止するには真空圧を２０００Ｐａ以下に制限する必要があった。真空圧を低くすると、導電性ワイヤ１０表面に成膜条件が制約されると共にＩＶ特性に優れた冷陰極材料に適した炭素膜を成膜することができなくなる。
特開平１０−２２３１２８号公報

したがって、本発明により解決すべき課題は、真空圧を高めても異常放電が発生しないようにして炭素膜の成膜条件の範囲を拡大しかつその炭素膜を冷陰極材料に用いた場合にＩＶ特性が改善された冷陰極を提供できる成膜装置および該成膜装置に用いる筒状陰極での異常放電発生防止方法を提供することである。

本発明による成膜装置は、真空成膜室内に配置した筒状陰極に直流負電圧を印加しその内部にプラズマを閉じ込め状態で生成して真空成膜室に導入した炭素膜成膜用のガスを分解することにより当該筒状陰極内部に配置した基板表面に炭素膜を成膜する成膜装置であって、上記直流負電圧を印加して生成したプラズマにより上記ガスが分解して上記成膜が行われる過程で、パルス状正電圧を筒状陰極に繰り返し印加して該筒状陰極に付着した炭素物質に帯電する電荷を中和することにより、上記電荷のチャージアップによる異常放電の発生を防止可能としたことを特徴とするものである。

上記筒状陰極の形状は、特に限定しないが、両端のいずれか一方が開口していれば周壁は閉鎖していてもよいが、好ましくは周壁の一部に開口を有する。周壁の形状（パターン）には周壁に多数の開口を有する形状として、螺旋状、メッシュ状、柵状、格子状、等を含む。これら形状は筒状陰極内部に配置した基板表面に均等に炭素膜を成膜するうえで好ましい。

上記炭素物質は抵抗値が高く導電性が低い炭素物質である。

筒状陰極は両端開口、一端開口他端側閉鎖の筒体を含む。筒状陰極の断面形状は特に限定しないが、基板形状がワイヤ状の場合、円形が好ましい。

基板の形状は特に限定しないが、平面状やワイヤ状を例示することができる。例えばワイヤ状基板に炭素膜を成膜してワイヤ状冷陰極を形成する場合、内面に蛍光体付き陽極を形成したガラス管内部にこのワイヤ状冷陰極を配置した冷陰極蛍光ランプを構成することができる。

パルス状正電圧を筒状陰極に繰り返し印加する趣旨には、周期的な繰り返しに限定するものではなく、不定期な繰り返しも含むものである。

上記の場合、１周期内における上記パルス状正電圧の印加期間が上記直流負電圧の印加期間より短い期間として該パルス状正電圧を周期的に繰り返し印加することが好ましい。この印加により、電荷のチャージアップによる異常放電の発生を、基板表面に対する炭素膜成膜に影響を及ぼさずに、効果的に防止できるようになる。

上記の場合、所定周波数における各周期内で上記直流負電圧の印加期間に対して上記パルス状正電圧の印加期間を上記帯電した電荷をパルス状正電圧の印加で中和できる期間にデューティ制御することが好ましい。

上記デューティ制御は周波数を制御することにより行ってもよいし、あるいは、周波数同一の場合ではパルス状正電圧の印加期間を変更することにより行ってもよい。この場合、パルス状正電圧の形状をデューティ制御に含むことができる。

上記所定周波数が、１ｋＨｚ〜２０ｋＨｚであり、上記所定周波数における１周期内でパルス状正電圧の１回の印加期間が、５μｓ〜２００μｓであることが好ましい。

ただし、このパルス状正電圧の大きさは上記帯電した電荷を中和できる大きさであれば、特に限定しないが、好ましくは、＋１００Ｖ〜＋３００Ｖであり、より好ましくは＋１００Ｖ〜＋２５０Ｖであり、最適には約２００Ｖである。勿論、パルス状正電圧の大きさが＋１００Ｖ以下、＋２５０Ｖ以上であっても、上記帯電した電荷を中和できる大きさであれば本発明に含む。

この場合、パルス状正電圧の形状は特に限定しないが、矩形波形ではなく頂点角度が例えば形状表現として数度程度の鋭角三角形状であれば、電圧ゼロＶから正方向に立ち上がり、最大値に達してから負方向に立ち下がるので、その印加期間は例えばゼロＶ近傍では５μｓ程度であり、例えば上記最適な最大高さ２００Ｖ近傍では１〜２μｓ程度になっている。

したがって、上記パルス状正電圧の形状が上記鋭角三角形状であれば、パルス状正電圧の印加期間は５μｓ〜２００μｓにおいて最短の印加期間である５μｓは電圧ゼロＶ近傍の印加期間である。

パルス状正電圧の形状がほぼ完全な矩形形状であれば、上記印加期間はその立ち上がりから立ち下りまでのパルス幅相当期間となる。

パルス状正電圧の印加期間はこのパルス状正電圧により上記帯電した電荷を中和できればよいので、直流負電圧の印加期間と比較して極めて短く設定することができ、実質、直流負電圧を連続印加して直流プラズマ成膜を行うことができるようになっている。

以上から、本発明の成膜装置によると、直流プラズマにより上記ガスが分解して上記成膜が行われる過程で所定周波数における各周期内で上記直流負電圧の印加期間に対して当該筒状陰極にパルス状正電圧を短い印加期間で印加するので、基板への成膜に影響を及ぼさずに、プラズマにより成膜する過程で抵抗が高く導電性が低い炭素物質が筒状陰極に付着しこの付着した炭素物質に電荷がチャージアップしてもパルス状正電圧で電荷中和し、結果として電荷チャージアップによる異常放電が発生しないように制御することができる。そのため、本発明の成膜装置では真空成膜室内を高真空圧に制御して基板表面に炭素膜の成膜を実施することができるようになり、成膜された炭素膜を冷陰極材料とする冷陰極のＩＶ特性を向上することができる。

本発明による成膜装置用筒状陰極での異常放電発生防止方法は、真空成膜室内に配置した筒状陰極に直流負電圧を印加し、その内部にプラズマを閉じ込め状態で生成して、真空成膜室に導入した炭素膜成膜用のガスを分解することにより、当該筒状陰極内部に配置した基板表面に炭素膜を成膜する過程で、パルス状正電圧を筒状陰極に繰り返し、好ましくは周期的に印加して該筒状陰極に付着した上記炭素膜より導電性が低く抵抗が高い炭素物質に帯電する電荷を中和することにより、上記電荷のチャージアップによる異常放電の発生を防止する、ことを特徴とするものである。

本発明によれば、成膜圧力範囲を高くしても筒状陰極から異常放電が発生することなく炭素膜を成膜することができる。その結果、本発明では、成膜圧力範囲を高くして炭素膜を成膜し、その成膜した炭素膜を冷陰極材料に用いた場合にＩＶ特性が改善された冷陰極を提供することができるようになる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る成膜装置を説明する。図１に実施の形態の成膜装置を示す。図１において図４と同一の部分には同一の符号を付し、同一の符号に係る部分の説明は簡略する。

実施の形態では、直流電源１２に代えて、パルス電圧生成部２０を備える。パルス電圧生成部２０は、図２で示すように、所定の周波数範囲における各周期Ｔ内で筒状陰極８に直流負電圧Ｖ１を第１印加期間Ｔ１印加すると共にパルス状正電圧Ｖ２を第２印加期間Ｔ２印加するようになっている。

パルス電圧生成部２０は、パルス電源で構成することができるが、これに限定するものではない。上記直流負電圧Ｖ１、パルス状正電圧Ｖ２を出力制御することができればよい。また、パルス電圧生成部２０は、上記周波数における周期Ｔ、上記印加期間Ｔ１，Ｔ２を可変制御することができようになっている。

筒状陰極８はその周壁の形状が一例として螺旋状になっているものを用いる。筒状陰極８はその両端が一例として開口したものを用いている。

図２中にはＴ，Ｔ１，Ｔ２は説明の都合で電圧ゼロＶを基準に示している。

パルス状正電圧Ｖ２は、直流負電圧Ｖ１に対して上記周波数における各周期Ｔごとにデューティ制御して周期的に繰り返して筒状陰極８に印加されるようになっている。この周期Ｔ内でパルス状正電圧Ｖ２のパルス幅をμｓオーダーに設定することにより、導電性ワイヤ１０表面には直流負電圧Ｖ１が実質、導電性の炭素膜が連続成膜するよう印加される。

上記所定の周波数は好ましくは１ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ、より好ましくは１ｋＨｚ〜３ｋＨｚの周波数範囲であり、最適には約２ｋＨｚである。

また、好ましくは第２印加期間Ｔ２は５μｓ〜２００μｓであり、より好ましくは１０μｓ〜３０μｓであり、最適には約２０μｓである。

また、好ましくは直流負電圧は−５５０Ｖ〜−７００Ｖであり、より好ましくは−５５０Ｖ〜６５０Ｖであり、最適には約６００Ｖである。

また、好ましくはパルス状正電圧は、＋１００Ｖ〜＋３００Ｖであり、より好ましくは＋１００Ｖ〜＋２５０Ｖであり、最適には約２００Ｖである。

筒状陰極８に対する電圧の印加条件において導電性ワイヤ１０表面への炭素膜の成膜過程を説明する。まず、真空成膜室６内を減圧しかつガス導入系２から炭素膜成膜用ガスの一例としてＣＨ４（メタンガス）とＨ２（水素ガス）とを導入し、筒状陰極８にパルス電圧生成部２０の生成電圧を印加する。

この生成電圧は図２で示す電圧である。図２で示す電圧のうち、第１印加期間Ｔ１に印加する直流負電圧Ｖ１により、筒状陰極８内部にプラズマ１８が発生する。このプラズマ１８により、導入ガスが分解されて、筒状陰極８内部に配置された導電性ワイヤ１０の表面に炭素膜が成膜される。

この炭素膜は、カーボンナノウォール、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、針状炭素膜等を含む。炭素膜の成膜条件には、炭素膜成膜用のガス、例えば炭素系のガスの流量、キャリアガスの流量、導電性ワイヤ１０の温度、真空成膜室６内の圧力、等があり、これらを種々に定めることにより、目的とする炭素膜を成膜することができる。

一方、この第１印加期間Ｔ１における成膜過程で筒状陰極８の外周面にプラズマで分解された導電性が低く抵抗が高い炭素物質が付着してくるようになると、この炭素物質には負電荷がチャージアップされてくる。

そして、第１印加期間Ｔ１に続く第２印加期間Ｔ２では、パルス状正電圧Ｖ２が筒状陰極８に印加されるので、上記筒状陰極８の外周面に付着している炭素物質にチャージアップしている負電荷はこのパルス状正電圧Ｖ２により電荷中和される。その結果、筒状陰極８からは従来のようにチャージアップ電荷により異常放電が発生しなくなる。

以上説明したように、この実施の形態では、直流プラズマ１８により上記ガスが分解して導電性ワイヤ１０の表面に炭素膜の成膜が行われる過程で筒状陰極８に周期的にパルス状正電圧Ｖ２を印加するので、プラズマ１８により炭素膜が成膜される過程で高抵抗の炭素物質が筒状陰極８に付着しこの付着した炭素物質に電荷がチャージアップしてもパルス状正電圧Ｖ２で電荷中和され、チャージアップが解消される結果として電荷チャージアップによる異常放電が発生しなくなる。

そのため、本実施の形態では、真空成膜室６内を高真空圧に制御することができるようになり、成膜された炭素膜を冷陰極材料とする冷陰極のＩＶ特性を向上することができる。

図３に真空成膜室６内の圧力を１５００Ｐａ（図中×印）、２０００Ｐａ（図中△印）、８０００Ｐａ（図中□印）で制御して炭素膜を導電性ワイヤ１０表面に成膜し、この導電性ワイヤ１０を冷陰極としてこれを陽極と対向配置した場合のＩＶ特性曲線Ａ，Ｂ，Ｃを示す。

ＩＶ特性曲線Ａ，Ｂは筒状陰極８に直流負電圧Ｖ１として−６００Ｖを印加し、パルス状正電圧Ｖ２は印加していない。

ＩＶ特性曲線Ｃは周波数２ｋＨｚ、第１印加期間Ｔ１に直流負電圧Ｖ１として−６００Ｖを印加し、第２印加期間Ｔ２は２０μｓとしパルス状正電圧Ｖ２として＋２００Ｖを印加したときの曲線である。

これらのＩＶ特性曲線Ａ，Ｂ，Ｃが示すように、圧力１５００Ｐａ（図中×印）で成膜した炭素膜で冷陰極を構成した場合のＩＶ特性は電圧２．２ＶでＩＶ特性曲線Ａが立ち上がり、圧力２０００Ｐａ（図中△印）で成膜した炭素膜で冷陰極を構成した場合のＩＶ特性は電圧１．８ＶでＩＶ特性曲線Ｂが立ち上がり、圧力８０００Ｐａ（図中□印）で成膜した炭素膜で冷陰極を構成した場合のＩＶ特性は電圧１．４ＶでＩＶ特性曲線Ｃが立ち上がる。

すなわち、パルス状正電圧Ｖ２を周期的に印加することにより、真空成膜室６内の圧力を高く制御しても筒状陰極８から異常放電が発生しなくなるので、真空成膜室６内圧力を高く制御することによりＩＶ特性に優れた炭素膜を成膜することができるようになった。

以上、実施の形態では、筒状陰極８内に発生したプラズマにより真空成膜室６に導入したガスが分解して導電性ワイヤ１０の表面に炭素膜の成膜が行われる過程で、筒状陰極８に周期的にパルス状正電圧Ｖ２を印加することにより、筒状陰極８側から異常放電が発生することなく真空成膜室６内の圧力を高く制御することが可能となり、冷陰極材料としてＩＶ特性に優れた炭素膜を成膜することができる。

図１は本発明の実施の形態に係る成膜装置の概略構成を示す図である。 図２は筒状陰極に印加する電圧の波形を示す図である。 図３は筒状陰極内の圧力を高低に制御して炭素膜を成膜した場合、その成膜した炭素膜を冷陰極材料とした冷陰極のＩＶ特性を比較して示す図である。 図４は従来の成膜装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

２ ガス導入系
４ 真空排気系
６ 真空成膜室
８ 筒状陰極
１０ 導電性ワイヤ（基板、成膜対象）
２０ パルス電圧生成部

Claims (5)

1. 真空成膜室内に配置した筒状陰極に直流負電圧を印加し、その内部にプラズマを閉じ込め状態で生成して、真空成膜室に導入した炭素膜成膜用のガスを分解することにより、当該筒状陰極内部に配置した基板表面に炭素膜を成膜する成膜装置であって、
   上記直流負電圧を印加して生成したプラズマにより上記ガスが分解して上記成膜が行われる過程で、パルス状正電圧を筒状陰極に繰り返し印加して該筒状陰極に付着した炭素物質に帯電する電荷を中和することにより、上記電荷のチャージアップによる異常放電の発生を防止可能とした、ことを特徴とする成膜装置。
2. １周期内における上記パルス状正電圧の印加期間を上記直流負電圧の印加期間より短い期間として該パルス状正電圧を周期的に繰り返し印加する、ことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 所定周波数における各周期内で上記直流負電圧の印加期間に対して上記パルス状正電圧の印加期間を、上記帯電した電荷をパルス状正電圧の印加で中和できる期間にデューティ制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
4. 上記所定周波数が、１ｋＨｚ〜２０ｋＨｚであり、上記所定周波数における１周期内でパルス状正電圧の１回の印加期間が、５μｓ〜２００μｓである、ことを特徴とする請求項３に記載の成膜装置。
5. 真空成膜室内に配置した筒状陰極に直流負電圧を印加し、その内部にプラズマを閉じ込め状態で生成して、真空成膜室に導入した炭素膜成膜用のガスを分解することにより、当該筒状陰極内部に配置した基板表面に炭素膜を成膜する過程で、パルス状正電圧を筒状陰極に繰り返し印加して該筒状陰極に付着した炭素物質に帯電する電荷を中和することにより、上記電荷のチャージアップによる異常放電の発生を防止する、ことを特徴とする成膜装置用筒状陰極での異常放電発生防止方法。

Images