JP2008150680A - 直流プラズマ成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】陰極からの異常放電発生を抑制し、電界電子放出源として膜厚均一かつ高品質な膜質を持つ性能に優れた炭素膜を成膜することができる直流プラズマ成膜装置を提供すること。
【解決手段】陰極１２と陽極１４の平坦とされた両電極面が所定間隔を隔てて互いに平行な向きに対向配置され、金属製の冷却板１６に陰極１２が熱伝導結合状態に搭載され、陰陽極１２，１４間の直流電圧印加で陽極の電極面近傍にプラズマを発生させて陽極１４の電極面上に接触ないしは非接触に配置した基板３０の表面に電界電子放出源としての炭素膜を成膜する直流プラズマ成膜装置において、陰極１２の材料にモリブデン材を用いた構成。
【選択図】図１

Description

本発明は、陰極に直流負電圧を印加し陽極の電極面上に直流プラズマを発生させて炭素膜成膜用のガスを分解して当該電極面上に基板裏面を向けて配置した基板の表面に電界電子放出源として電界電子放出性能を有する、サイズがｎｍオーダーの炭素膜を成膜する直流プラズマ成膜（ＣＶＤ）装置に関するものである。

図４を参照して従来の直流プラズマ成膜装置を説明すると、従来の直流プラズマ成膜装置では、真空成膜室１０を有する。この真空成膜室１０内部の適所に陰極１２と陽極１４とを互いの電極面１２ａ，１４ａが所定間隔を隔てて平行に対向するよう配置する。

陰極１２はその裏面１２ｂ側からＳＵＳ等の金属製である冷却板１６の表面１６ａに熱伝導結合状態に密着した状態で搭載される。冷却板１６の外周面（表面、側面、裏面）には絶縁膜１８が施されている。この絶縁膜１８の膜材はセラミックである。

陰極１２の材料にはＳＵＳ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属が用いられている。真空成膜室１０は接地される。陽極１４は接地され、陰極１２には直流電源２０の負極が接続される。直流電源２０の正極は電源スイッチ２２を介して接地される。

電源スイッチ２２が閉じられると、陰極１２には直流負電圧が印加されるようになっている。また、真空成膜室１０にはガス導入系２４と、真空排気系２６とが接続されている。

以上の構成を有する直流プラズマ成膜装置においては、真空成膜室１０の内圧は真空排気系２６により所要の真空度に制御され、また真空成膜室１０内部にはガス導入系２４により原料ガスとしての炭化水素とキャリアガスとしての水素との混合ガスが導入される。

この状態で陰極１２に直流電源２０から直流負電圧が印加されると、陽極１４の電極面１４ａ上近傍にプラズマ２８が発生する。ガスはこのプラズマ２８により分解され、これによって分解されたガス中の炭素成分が、陽極１４の電極面１４ａ上にその基板裏面を向けて配置された基板３０の表面に、堆積され、その結果、当該基板３０表面に電界電子放出源となる炭素膜が成膜されるようになっている。

しかしながら、上記直流プラズマ成膜装置では図５で示すように上記成膜プラズマ２８により分解されたガス中の炭素成分の一部３２が陰極１２の電極面１２ａにも島状に堆積される。

この場合、陰極１２の材料にＳＵＳ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属が用いられているので、電極面１２ａに堆積された炭素成分３２は非導電性になっている。

そのため、この非導電性の炭素成分３２に電子（図中ｅ^-で示す）がチャージアップ（帯電）されてくるようになる。このチャージアップ量が閾値を超えてくるとき、このチャージアップされた電子により陽極１４の電極面１４ａに向けて異常放電（アーク放電）３４が発生する。

そして、この異常放電３４が強いときは図６で示すように成膜プラズマ２８を消失したり、異常放電３４が部分発生するときは図７で示すように成膜プラズマ２８が変形したり、また、異常放電３４が弱い場合は図８で示すように成膜プラズマ２８が縮小したりする。

上記した異常放電３４は図６ないし図８のいずれの場合も、基板３０表面に炭素膜が成膜されなくなったり不均一に炭素膜が成膜されたりして電界電子放出源としての炭素膜の品質が大きく劣化してしまう。なお、直流プラズマ成膜装置として特許文献１等が提供されている。
特開２００６−２８３９７０号公報

本発明により解決すべき課題は、分解されたガス中の炭素成分が陰極の電極面に堆積されても上記チャージアップを防止することにより、上記した異常放電の発生を抑制し、これにより電界電子放出源として膜厚均一かつ高品質な膜質を持つ炭素膜の成膜が可能である直流プラズマ成膜装置を提供することである。

本発明に係る直流プラズマ成膜装置は、真空成膜室の内部に陰極と陽極とをその両電極面を平行に対向して配置し、陰極を少なくともその陰極側表面が絶縁膜で被覆された冷却板上に搭載した直流プラズマ成膜装置において、上記陰極の少なくともその電極面をモリブデン材で構成するかまたは該陰極の少なくともその電極面にモリブデン材を被着したことを特徴とするものである。

好ましくは上記陰極の全体をモリブデン材で構成する。

本発明では上記陰極の少なくともその電極面をモリブデン材で構成するかまたは該陰極の少なくともその電極面にモリブデン材を被着しているので、真空成膜室に導入されたガスが陽極の電極面近傍に発生した成膜プラズマにより分解され、そのガス中の炭素成分の一部が陰極の電極面に堆積されても、陰極の電極面に堆積された炭素成分は導電性となる。そのため、この陰極の電極面に堆積された炭素成分には電子がチャージアップされないから、従来のごとく、陰極の電極面上に堆積した炭素成分にチャージアップされた電子により陽極の電極面に向けて異常放電が発生するようなことが防止される。

その結果、基板表面にはプラズマにより分解された炭素成分により電界電子放出源として膜厚均一かつ高品質な膜質を持つ性能に優れた炭素膜が成膜されるようになる。

上記モリブデン材は高純度であることが好ましい。

本発明によれば、電界電子放出源として、基体表面全体に均等な膜厚でかつ高品質な炭素膜を成膜することができる。

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直流プラズマ成膜装置を説明する。

図１に本発明の実施の形態に係る直流プラズマ成膜装置の構成を示す。図１において１０は真空成膜室、１２陰極、１４は陽極、１６は冷却板、１８は絶縁膜、２０は直流電源、２２は電源スイッチ、２４はガス導入系、２６は真空排気系、２８は成膜プラズマ、３０は基板である。絶縁膜１８の膜材は特に限定しないが、好ましくはセラミックである。上記基板３０は平板状の基板、線状の基板等を含む。線状とはその直径の大きさを限定しないものでありワイヤ状の概念を含むことができる。

以上の構成において上記直流プラズマ成膜装置では、陰極１２の材料にモリブデン材を用いたことを特徴とするものである。

上記では陰極１２の全体がモリブデン材で構成されているが、陰極１２の電極面１２ａのみ、あるいは電極面１２ａおよび側面１２ｃを所定厚さを有するモリブデン材で構成するか、陰極１２の電極面１２ａ上、あるいは電極面１２ａおよび側面１２ｃにモリブデン材を被着してもよい。

図１で示すように、真空成膜室１０の内圧を真空排気系２６により所要の真空度に制御し、真空成膜室１０内にガス導入系２４によりガスとしての炭化水素とキャリアガスとしての水素との混合ガスを導入するとともに陰極１２に直流電源２０から直流負電圧を印加すると、陽極１４の電極面１４ａ上近傍にプラズマ２８が発生する。そして、ガスはプラズマ２８により分解され、ガス中の炭素成分は、基板３０の表面に電界電子放出源となる炭素膜として堆積される。

この場合、成膜プラズマ２８により分解されたガス中の炭素成分の一部３２が図２で示すように陰極１２の電極面１２ａに島状に堆積されても、陰極１２が純度９９％以上のモリブデン材で構成されているので、当該電極面１２ａに堆積された炭素成分３２は導電性である。

そのため、この炭素成分３２には電子がチャージアップされることはなく、同図２で示すように炭素成分３２から陽極１４の電極面１４ａに向けて異常放電が発生するようなことはない。陽極１４の電極面１４ａ近傍のプラズマ２８は高質高密度に保たれる結果、基板３０表面には電界電子放出源として膜厚均一かつ高品質な膜質を持ち、電界電子放出源（電子エミッタ）としてＩＶ（電圧、電流）特性に優れた微細な針状の炭素膜（先端に向かうほど直径が小さくなって針状となる炭素膜）が成膜されるようになる。

またモリブデン材は高純度であることが好ましい。またモリブデン材が高純度に含まれるのであれば高温特性等の機能が向上するために他の金属と合金したモリブデン合金であっても良い。これはＪＩＳ−ＳＵＳ３１６Ｌは炭素、シリコン、マンガン、リン、ニッケル、クロムに加えてモリブデンも含まれているが、炭素成分３２は非導電性となっている。これは上記ＳＵＳはモリブデン材純度が低いからである。モリブデン材としては単結晶高純度のモリブデン材がより好ましい。また、モリブデン材は電界増倍係数βが大きく、直流高電界下での陰極１２表面からの電界電子放出特性に優れる。

なお、陰極１２の表面に図３で示すように陰極１２を本体１２１と、その本体１２１の外周面に皮膜状に形成したモリブデン材１２２とにより構成することにより上記炭素成分３２に電子のチャージアップを防止するようにしてもよい。この場合、陰極１２の電極面１２ａのみ、あるいは電極面１２ａと側面１２ｃをモリブデン材で構成してもよいし、陰極１２の電極面１２ａ上、あるいは電極面１２ａと側面１２ｃ上にモリブデン材を被着してもよい。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、種々な変更ないしは変形を含むものである。

図１は、本発明の実施の形態に係る直流プラズマ成膜装置の構成を示す断面図である。 図２は、図１の直流プラズマ成膜装置の動作中の断面図である。 図３は、陰極の変形例を示すための直流プラズマ成膜装置の要部断面図である。 図４は、従来の直流プラズマ成膜装置の断面図である。 図５は、動作中の従来の直流プラズマ成膜装置の断面図である。 図６は、従来の直流プラズマ成膜装置の陰極から陽極に強い異常放電が発生した場合の断面図である。 図７は、従来の直流プラズマ成膜装置の陰極から陽極に部分異常放電が発生した場合の断面図である。 図８は、従来の直流プラズマ成膜装置の陰極から陽極に弱い異常放電が発生した場合の断面図である。

符号の説明

１０ 真空成膜室
１２ 陰極
１４ 陽極
１６ 冷却板
１８ 絶縁膜
２０ 直流電源
２８ プラズマ
３０ 基板

Claims (2)

1. 真空成膜室の内部に陰極と陽極とをその両電極面を平行に対向して配置し、陰極を少なくともその陰極側表面が絶縁膜で被覆された冷却板上に搭載した直流プラズマ成膜装置において、上記陰極の少なくともその電極面をモリブデン材で構成するかまたは該陰極の少なくともその電極面にモリブデン材を被着した、ことを特徴とする直流プラズマ成膜装置。
2. 上記陰極の全体をモリブデン材で構成した、ことを特徴とする請求項１に記載の直流プラズマ成膜装置。

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