JP2008150681A - Apparatus for forming film by direct-current plasma - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、陰極に直流負電圧を印加して陽極の電極面近傍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陽極の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。 In the present invention, a direct current negative voltage is applied to the cathode to generate direct current plasma in the vicinity of the electrode surface of the anode to decompose the gas for forming the carbon film, and the back surface of the substrate is disposed on the electrode surface of the anode. The present invention relates to a direct current plasma deposition (CVD) apparatus for depositing a carbon film having a size of the order of nm, which has field electron emission performance as a field electron emission source on the surface of a substrate.
図7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内の所定位置に陰極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。
A conventional DC plasma film forming apparatus will be described with reference to FIG. 7. The conventional DC plasma film forming apparatus has a vacuum
陰極12の裏面12bにSUS等の金属製である冷却板16が熱伝導結合状態に密着配置される。冷却板16は陰極12を熱伝導で冷却するためのものであり、陰極12よりも平面寸法が大きくまた板厚も厚く構成されて冷却容量が大きく構成されている。
A
冷却板16は、陰極12が搭載される面においてその略中央領域が陰極搭載領域16aとされ、その陰極搭載領域16aの外側に外周領域16bがある。冷却板16は陰極12と陽極14との間にのみプラズマが発生させるため例えばセラミックによる絶縁膜18が陰極搭載領域16aを除く外周面に形成されている。
The
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。
As the material of the
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により所要の真空圧に制御され、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。
In the DC plasma film forming apparatus having the above configuration, the internal pressure of the vacuum
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。混合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。
In this state, when a DC negative voltage is applied to the
しかしながら、上記直流プラズマ成膜装置では真空成膜室10内の圧力が上記所要の真空度未満の低圧時には図8で示すように陰極12と陽極13との間のプラズマ28のみではなく冷却板16の外周領域16b上にもプラズマ29が広がって発生している。
However, in the DC plasma film forming apparatus, when the pressure in the vacuum
そのためプラズマ28,29により分解されたガス中の炭素成分の一部32,33が陰極12の電極面12aやその側面12c、絶縁膜18にも縞状等に堆積される。
For this reason,
この場合、従来では陰極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や側面12cに堆積された炭素成分32は非導電性になっている。また、絶縁膜18上にも縞状に堆積した炭素成分33も非導電性になっている。
In this case, conventionally, metals such as SUS, Fe, Cu, and Al are used as the material of the
このとき、炭素成分32,33が非導電性であるために当該炭素成分32,33には電子がチャージアップされる。そして真空成膜室10内圧力が低圧の時に低密度で大きく生成されていたプラズマ28,29は該圧力が上昇すると縮小して小さくなる。
At this time, since the
そして、上記炭素成分32,33への電子のチャージアップ量が閾値を超えるとチャージアップ電子が陽極14の電極面14aに向けて放電(アーク放電)34,35することがある。
When the amount of electrons charged up to the
そして、この異常放電34,35が強いときは図9で示すようにプラズマ28が消失したり、異常放電34,35が部分的に発生するときは図10で示すようにプラズマ28が変形したり、また、異常放電34,35が弱い場合は図11で示すようにプラズマ28が縮小したりする。
When the
上記した異常放電34,35は基板30表面に炭素膜が成膜されなくなったり不均一に成膜されたりして炭素膜品質が低下する結果、炭素膜の電界電子放出源としての性能に影響してしまう。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。
そこで本発明は、上記した異常放電の発生を抑制して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の成膜を可能とする直流プラズマ成膜装置を提供することを解決すべき課題としている。 Therefore, the present invention provides a direct current plasma film forming apparatus capable of forming a carbon film having excellent performance with uniform film thickness and high quality as a field electron emission source by suppressing the occurrence of abnormal discharge described above. It is a problem to be solved.
本発明に係る直流プラズマ成膜装置は、真空成膜室内部に陰極と陽極とをその両電極面を対向させて配置し、陰極を冷却板の略中央に設定された陰極搭載領域に搭載すると共に当該冷却板における陰極搭載領域の外周を環状に囲む外周領域上に絶縁膜が環状に形成されている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すると共に上記絶縁膜上にモリブデン材からなる放電防止材が設けられていることを特徴とするものである。 In the DC plasma film forming apparatus according to the present invention, a cathode and an anode are disposed in a vacuum film forming chamber with their electrode surfaces facing each other, and the cathode is mounted on a cathode mounting region set at a substantially center of a cooling plate. In addition, in the DC plasma film forming apparatus in which the insulating film is formed in an annular shape on the outer peripheral region surrounding the outer periphery of the cathode mounting region in the cooling plate, at least the electrode surface of the cathode is made of molybdenum material or the A molybdenum material is deposited on at least the electrode surface of the cathode, and a discharge preventing material made of molybdenum material is provided on the insulating film.
上記陰極はその電極面のみをモリブデン材で構成する場合、その電極面および側面をモリブデン材で構成する場合、陰極全体をモリブデン材で構成する場合のいずれも含む。上記陰極をモリブデン材で構成するのではなくその電極面にのみ、あるいは電極面および側面にモリブデン材を被着してもよい。 The cathode includes both the case where only the electrode surface is made of molybdenum material, the case where the electrode surface and side surfaces are made of molybdenum material, and the case where the whole cathode is made of molybdenum material. The cathode may not be made of molybdenum material, but may be deposited only on the electrode surface, or on the electrode surface and side surfaces.
上記絶縁膜上の放電防止材は、陰極搭載領域と陰極裏面との間から絶縁膜外周縁に至る盤状(円盤状等)や陰極搭載領域の外周縁を内径とし絶縁膜外周縁を外径とする環状としてもよい。上記放電防止材は半径方向に一定厚さの形状でも漸次厚さが減少する形状でもよい。 The discharge preventing material on the insulating film has a disk shape (disk shape or the like) extending from between the cathode mounting region and the cathode back surface to the outer peripheral edge of the insulating film, or the outer peripheral edge of the cathode mounting region as the inner diameter. It is good also as an annular. The discharge preventing material may have a shape with a constant thickness in the radial direction or a shape with a gradually decreasing thickness.
上記陰極を構成するモリブデン材と放電防止材は一体化の場合も別体の場合も含むことができる。 The molybdenum material and the discharge preventing material constituting the cathode can be integrated or separated.
陰極の裏面の平面視形状(平面方向から視た場合の形状)は円形、矩形のいずれも含み、冷却板の表面の平面視形状は円形、矩形のいずれも含む。 The planar view shape (the shape when viewed from the plane direction) of the back surface of the cathode includes both a circle and a rectangle, and the planar view shape of the surface of the cooling plate includes both a circle and a rectangle.
上記陰極の平面視形状、冷却板の平面視形状に応じて放電防止材の平面形状も種々であり、例えば円板状、矩形板状、円盤状、矩形盤状、環状板状、等である。 The planar shape of the discharge preventing material varies depending on the planar shape of the cathode and the planar shape of the cooling plate, for example, a disc shape, a rectangular plate shape, a disc shape, a rectangular disc shape, an annular plate shape, etc. .
上記モリブデン材はモリブデンのみからなる材料に限定されず、モリブデンが高純度に含んでいれば他の金属との合金も含むことができる。 The molybdenum material is not limited to a material made only of molybdenum, and can contain alloys with other metals as long as the molybdenum contains high purity.
上記絶縁膜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。 The film material of the insulating film is not particularly limited, but is preferably ceramic.
この直流プラズマ成膜装置では陽極を接地すると共に陰極に直流負電圧を印加し陰極と陽極との間の空間にプラズマを生成した際に、所定の真空圧に減圧されている真空成膜室に導入したガスがそのプラズマにより分解され、この分解で生成した炭素成分は陽極上に配置した基板の表面に電界電子放出源として成膜するようになっている。 In this DC plasma deposition apparatus, the anode is grounded and a negative DC voltage is applied to the cathode to generate plasma in the space between the cathode and the anode. The introduced gas is decomposed by the plasma, and the carbon component generated by the decomposition is formed as a field electron emission source on the surface of the substrate disposed on the anode.
そして、この場合、真空成膜室の内圧が上記所定の真空圧以下の低圧のときでも陰極と陽極との間だけでなく放電防止材上にも低密度のプラズマが発生しており、このプラズマによりガスが分解されて炭素成分が生成しその炭素成分の一部が陰極の外周面や放電防止材に縞状に堆積してくる。そして真空成膜室内圧が上記所定の真空圧に到達するようになると、上記プラズマが縮小し、陽極の電極面近傍に高密度のプラズマが生成されてくる。このとき、上記縞状に堆積した炭素成分は、陰極や放電防止材がモリブデン材で構成されていて導電性を持つようになっているので、電子はこの縞状の炭素成分にチャージアップされずに済み、このチャージアップされた電子により陽極の電極面上に配置した基板の成膜に影響することがなくなる。 In this case, low-density plasma is generated not only between the cathode and the anode but also on the discharge preventing material even when the internal pressure of the vacuum film forming chamber is a low pressure equal to or lower than the predetermined vacuum pressure. As a result, the gas is decomposed to generate a carbon component, and a part of the carbon component is deposited in stripes on the outer peripheral surface of the cathode and the discharge preventing material. When the vacuum film forming chamber pressure reaches the predetermined vacuum pressure, the plasma is reduced, and high-density plasma is generated in the vicinity of the electrode surface of the anode. At this time, since the carbon component deposited in the above-described stripe shape is made of a molybdenum material and the cathode and the discharge prevention material are made conductive, electrons are not charged up to the stripe-like carbon component. Thus, the charged electrons do not affect the film formation of the substrate disposed on the electrode surface of the anode.
したがって、本発明では陰極や上記絶縁膜上の放電防止材がモリブデン材で構成されているので、基板表面には陽極の電極面近傍のプラズマにより分解された炭素成分が膜厚均一かつ高品質な膜質で堆積されて電界電子放出源として性能に優れた炭素膜が成膜されるようになる。 Therefore, in the present invention, since the discharge preventing material on the cathode and the insulating film is made of molybdenum material, the carbon component decomposed by the plasma in the vicinity of the electrode surface of the anode has a uniform film thickness and high quality on the substrate surface. A carbon film having excellent performance as a field electron emission source is deposited by film quality.
本発明によれば、電界電子放出源としての炭素膜を基板表面に均等な膜厚でかつ高品質に成膜することができる。 According to the present invention, a carbon film as a field electron emission source can be formed on the substrate surface with a uniform film thickness and high quality.
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は実施の形態の直流プラズマ成膜装置の構成を示す断面図である。同図において10は真空成膜室、12は陰極、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。上記基板30はその形状に限定されず、例えば断面円形に限らず、楕円や矩形等の非円形を含む。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。
Hereinafter, a DC plasma film forming apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a DC plasma film forming apparatus according to an embodiment. In the figure, 10 is a vacuum film forming chamber, 12 is a cathode, 14 is an anode, 16 is a cooling plate, 18 is an insulating film, 20 is a DC power source, 22 is a power switch, 24 is a gas introduction system, 26 is a vacuum exhaust system, 28 is a film forming plasma, and 30 is a substrate. The said board |
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の全体をモリブデン材で構成すると共に陰極12と冷却板16との間に盤形状のモリブデン材からなる放電防止材36を配置したことを特徴とするものである。
In the above-described configuration, the DC plasma film forming apparatus is characterized in that the
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。
In the above, the
放電防止材36は、平板状ないしは円盤状をなし、陰極12の外径より大きい外径を有して絶縁膜18上に延びている。この放電防止材36は、絶縁膜18の途中部位まで、あるいは絶縁膜18の外周縁にまで延長して配置してもよい。
The
以下、説明すると、真空成膜室10内部には陰極12と陽極14とがその両電極面を平行に対向させて配置されている。陰極12は冷却板16の陰極搭載領域16a上に搭載されている。放電防止材36は冷却板16の陰極搭載領域16aからその外周領域16b上の絶縁膜18を覆う大きさの盤状である。
In the following, in the vacuum
以上の構成を備えた直流プラズマ成膜装置において、真空成膜室10の内圧を真空排気系26により減圧し、真空成膜室10内にガス導入系24により炭化水素と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、図2で示すように、真空成膜室10内の真空圧が低圧のときに陰極12と陽極14との間および絶縁膜18上に大きいが低密度のプラズマ28,29が発生する。そして、ガスはプラズマ28,29により分解され、ガス中の炭素成分32,33が、陰極12の外周面と絶縁膜18上に島状、縞状、粒子状等の各種パターン形状に堆積してくるようになる。
In the DC plasma film forming apparatus having the above configuration, the internal pressure of the vacuum
そして、真空成膜室10内の真空圧が高圧に制御されると、図3で示すように上記プラズマ28,29は縮小し、プラズマ29は実質無視し得る程度に縮小しプラズマ28だけになる。このプラズマ28は陽極14の電極面14a近傍に生成し基板30の表面に電界電子放出源となる炭素膜を堆積させるプラズマとなる。
When the vacuum pressure in the vacuum
この場合、陰極12がモリブデン材で構成され絶縁膜18上にモリブデン材からなる放電防止材36が配置されているので、炭素膜32,33は導電性となっており、したがって、これら炭素膜32,33には電子がチャージアップされないから、当該炭素膜32,33から放電が発生することはない。その結果、陽極14の電極面14a近傍のプラズマ28は高質で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つ性能に優れた炭素膜が成膜されるようになる。この炭素膜は針状の炭素膜(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)からなり、多数の微細突起への電界集中により電子を高性能高効率で放出する電界電子放出源となる。
In this case, since the
なお上記陰極12を構成するモリブデン材および放電防止材36を構成するモリブデン材は99%以上の高純度であることが好ましい。またモリブデン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。
The molybdenum material composing the
モリブデンとしては単結晶高純度のモリブデンがより好ましい。また、モリブデンは電界増倍係数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。
As molybdenum, single crystal high purity molybdenum is more preferable. Molybdenum has a large electric field multiplication factor β and is excellent in the field electron emission characteristics from the surface of the
なお、陰極12と放電防止板36は図4で示すように中実一体化されたモリブデン材で構成されたものでよい。
The
あるいは、図5で示すように陰極12の外周面を覆うモリブデン材からなる陰極側放電防止材38と上記絶縁膜側放電防止材36とを一体化した中空の放電防止材40とした構成でもよい。
Alternatively, as shown in FIG. 5, a hollow
あるいは、図6で示すようにモリブデン材からなる陰極12の外周囲を取り囲むモリブデン材からなる環状板形状の放電防止材42で構成してもよい。
Alternatively, as shown in FIG. 6, it may be constituted by an annular plate-shaped
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。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various changes or modifications within the scope described in the claims.
10 真空成膜室
12 陰極
12a 電極面
12b 側面
12c 裏面
14 陽極
14a 電極面
16 冷却板
16a 陰極搭載領域
16b 外周領域
18 絶縁膜
20 直流電源
28 プラズマ
29 プラズマ
30 基板
32 炭素成分
33 炭素成分
36−42 放電防止材
DESCRIPTION OF
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