JP2017004678A - プラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、アークスポットがカソードの蒸発面以外の領域へ移動することを防ぐことができるプラズマ発生装置を提供する。【解決手段】プラズマ発生装置１００において、カソード４は、柱状形状を有する柱状部材を含む。カソードホルダ３は、柱状部材が基板２０の位置する方向に伸びるようにカソード４を固定する。電源７は、カソードホルダ３に負の電圧を印加する。トリガー電極８は、カソード４に接触することにより真空容器１内に放電を発生させる。中間電位部材１３は、少なくとも中間電位部材１３がカソード４に接触するときに柱状部材の周囲に位置し、柱状部材の長軸方向に垂直な方向に配置される。柱状部材のカソードホルダ３側の端部と柱状部材の基板２０側の端部との間に生じる電位差の絶対値が、基板２０側の端部と中間電位部材１３との間に生じる電位差の絶対値よりも小さい。【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ発生装置に関する。

基板の外部表面に被膜を形成するための方法として、アーク式ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法が知られている。アーク式ＰＶＤ法では、アーク放電を用いて、蒸発源に取り付けられたカソードを溶融して蒸発させる。蒸発したカソード物質（イオン化したカソード物質及び電気的に中性のカソード物質を含む。）が基板表面上に堆積することにより被膜が形成される。アークスポットがカソード以外の他の領域に移動した場合、成膜速度が低下したり、膜厚の分布が不均一になったりする可能性がある。このため、アークスポットがカソードの蒸発面などの所望の領域から移動しないようにするための技術が、従来から用いられている。

アークスポットがカソードの蒸発面以外の領域に移動することを抑制することができるアーク式蒸発源が知られている（特許文献１）。このアーク式蒸発源は、カソードと、テーパリングと、コイルとを備える。テーパリングは、強磁性体であり、円錐台の形状である。カソードは、テーパリングの軸方向に沿って形成された貫通孔に挿入される。コイルは、カソードの長軸方向と平行な磁力線を発生させる。

アークスポットは、磁力線中に存在する場合、磁力線とテーパリングの側面とで形成される２つの角のうち、鋭角の方向に移動する性質を有する。アークスポットが、カソードの蒸発面以外の領域で発生したとしても、上述の性質によりアークスポットは蒸発面上に移動する。従って、アークスポットがカソード以外の領域に移動することが抑制される。

また、アークスポットがカソードの蒸発面以外の領域に移動した場合、アークを再点弧する物品処理装置が知られている（特許文献２）。物品処理装置において、検出プレートが、カソードの周囲に配置される。検出プレートは、抵抗を介して接地される。制御部は、抵抗の両端の間の電圧を検出する。制御部は、検出した電圧の波形に基づいて、アークスポットがカソードの蒸発面上に存在するか、カソードの側面上又はカソードの蒸発面と側面との近傍付近に存在するかを判断する。

制御部は、アークスポットが側面又は近傍付近に存在すると判断した場合、アーク放電を消滅させ、その後、アーク放電をカソードの蒸発面上に再び発生させる。これにより、アークスポットがカソードの蒸発面以外の領域に長時間連続して位置することを防ぐことができる。

上述の物品処理装置及びアーク式蒸発源は、カソードの長軸方向に平行な磁力線を発生させる。また、磁力線は、イオン化されたカソード物質がカソードの長軸に垂直な方向へ移動することを抑止する。この結果、アークスポットがカソード以外の領域へ移動することが防止される。

特開２００８−２１４６８５号公報 特開２００６−１１７９７８号公報

しかし、上述の物品処理装置及びアーク式蒸発源は、磁力線を発生させるためのコイルを備えなければならないため、アーク式蒸発源又は物品処理装置の構成が複雑となる。

本発明の目的は、簡易な構成で、アークスポットがカソードの蒸発面以外の領域へ移動することを防ぐことができるプラズマ発生装置を提供することである。

この発明の実施の形態によれば、プラズマ発生装置は、真空容器と、カソードと、保持部材と、カソードホルダと、電源と、放電開始部材と、中間電位部材とを備える。カソードは、柱状形状を有する柱状部材を含む。保持部材は、真空容器内に配置され、基板を保持する。カソードホルダは、真空容器に取り付けられ、柱状部材が基板の位置する方向に伸びるようにカソードを真空容器内に固定する。電源は、カソードホルダに負の電圧を印加する。放電開始部材は、カソードに接触することにより真空容器内に放電を発生させる。中間電位部材は、少なくとも放電開始部材がカソードに接触するときに柱状部材の周囲に位置し、カソードホルダにより固定された柱状部材の長軸方向に垂直な方向に配置され、導電性を有する。柱状部材のカソードホルダ側の端部と柱状部材の基板側の端部との間に生じる電位差の絶対値が、基板側の端部と中間電位部材との間に生じる電位差の絶対値よりも小さい。

この発明の他の実施の形態によれば、プラズマ発生装置は、真空容器と、カソードと、保持部材と、カソードホルダと、電源と、放電開始部材と、制御部とを備える。カソードは、柱状形状を有する柱状部材を含む。保持部材は、真空容器内に配置され、基板を保持する。カソードホルダは、真空容器に取り付けられ、柱状部材が真空容器の内側に向かって伸びるようにカソードを真空容器内に固定する。電源は、カソードホルダに負の電圧を印加する。放電開始部材は、真空容器内を移動可能であり、カソードホルダにより固定されたカソードの柱状部材に接触することにより真空容器内で放電を発生させる。制御部は、放電開始部材が柱状部材に接触するように放電開始部材の移動を制御する。放電開始部材は、接触部材と、中間電位部材とを含む。接触部材は、制御部による移動制御により柱状部材の先端に接触する。中間電位部材は、接触部材が先端に接触するときに柱状部材の周囲に位置する。制御部は、接触部材が先端に接触した後に柱状部材から離れた位置に放電開始部材を移動させる。

この発明の実施の形態によるプラズマ装置において、柱状部材の基板側の端部とカソードホルダ側の端部との間に生じる電界が、中間電位部材により遮蔽される。従って、柱状部材に発生するアークスポットが柱状部材以外の領域へ移動することが抑制される。

本発明の第１の実施の形態によるプラズマ装置の構成を示す概略図である。 図１に示すカソードの側面図である。 図１に示すカソードの平面図である。 図１に示すプラズマ装置におけるカソード近傍の拡大図である。 図１に示す中間電位部材を基板側から見た図である。 図１に示すプラズマ装置を用いたカーボン薄膜の製造方法を示す工程図である。 図１に示すトリガー電極がカソードから離反した直後におけるカソード近傍の電界を模式的に示す図である。 図１に示すプラズマ装置を用いてアーク放電を発生させる実験を行ったときの結果を示す表である。 図２Ａに示す柱状部材の変形例を示す図である。 図２Ａに示す柱状部材及び図４に示す開口の変形例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態によるプラズマ装置の構成を示す概略図である。 図１０に示すトリガー電極の側面図である。 図１０に示すトリガー電極の平面図である。 図１０に示すプラズマ装置におけるカソード近傍の拡大図である。 図１３Ａに示すトリガー電極をカソードホルダ側から見た図である。 図１１に示す接触部材が柱状部材から離反した直後におけるカソード近傍の電界を示す図である。 図１０に示すプラズマ装置を用いてアーク放電を発生させる実験を行ったときの結果を示す表である。 図１０に示す中間電位部材に形成される開口の変形例を示す図である。 図１０に示す中間電位部材に形成される開口の他の変形例を示す図である。 図１０に示すトリガー電極の変形例を示す図である。 図２Ａに示すカソードの変形例の断面図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜第1の実施の形態＞
［プラズマ装置の構成］
図１は、本発明の第１の実施の形態によるプラズマ装置の構成を示す概略図である。図１を参照して、第１の実施の形態によるプラズマ装置１００は、真空容器１と、保持部材２と、カソードホルダ３と、カソード４と、シャッター５と、電源６，７と、トリガー電極８と、抵抗９、１０と、フランジ１１と、支柱１２と、中間電位部材１３と、シール材１４と、制御部１５とを備える。

真空容器１は、排気口１１１を有し、排気口１１１から排気装置（図示せず）によって真空に引かれる。そして、真空容器１は、接地ノードＧＮＤに接続される。

保持部材２は、真空容器１の底面を介して一部が真空容器１内に配置され、基板２０を保持する。電源６は、保持部材２と接地ノードＧＮＤとの間に接続される。

カソードホルダ３及びフランジ１１は、真空容器１の側壁に固定される。具体的には、フランジ１１は、カソードホルダ３の周囲を囲むようにして真空容器１に配置される。フランジ１１は、導電性を有しており、抵抗１０を介して接地ノードＧＮＤに接続される。

フランジ１１と真空容器１の側壁との間、カソードホルダ３とフランジ１１との間は、シール材１４により密封される。シール材１４は、絶縁性の材料（例えば、テフロン（登録商標）など）からなる。

カソード４は、カソードホルダ３の基板２０側の表面に取り付けられる。カソード４の形状等の詳細については、後述する。

支柱１２は、フランジ１１から基板２０側に延びるように固定される。中間電位部材１３は、支柱１２により、真空容器１の側壁及びフランジ１１と略平行となるように真空容器１内に配置される。支柱１２及び中間電位部材１３は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４など）からなる。従って、中間電位部材１３は、支柱１２、フランジ１１及び抵抗１０を介して接地ノードＧＮＤに接続される。

カソードホルダ３に固定されたカソード４の先端は、中間電位部材１３に形成された開口に挿入される。カソード４の先端が中間電位部材１３から基板２０側に突出するよう、カソード４と中間電位部材１３とが位置合わせされる。あるいは、カソード４の先端が中間電位部材１３と同一平面上に位置するように、カソード４と中間電位部材１３とが位置合わせされる。カソード４と中間電位部材１３との位置関係など、中間電位部材１３の詳細については、後述する。

トリガー電極８は、一部が真空容器１の側壁を介して真空容器１内に配置され、残部が真空容器１外に配置される。そして、トリガー電極８は、例えば、Ｍｏからなり、抵抗９を介して接地ノードＧＮＤに接続される。

シャッター５は、カソード４と基板２０との間にカソード４に対向して配置される。

制御部１５は、トリガー電極８がカソードホルダ３に固定されたカソード４の先端に接触及び離反するように、トリガー電極８の移動を制御する。

図２Ａは、カソード４の側面図である。図２Ｂは、図２Ａに示すカソード４を矢印Ａ方向から見た平面図である。図２Ａ及び図２Ｂを参照して、カソード４は、台座４１と、柱状部材４２とを含む。台座４１は、円盤形状である。柱状部材４２は、柱状形状を有する。柱状部材４２及び台座４１は、一体的に作成される。

例えば、台座４１は、６４ｍｍφの直径Ｒ１を有し、２０ｍｍの高さＨ１を有する。柱状部材４２は、円柱形状であり、例えば、３ｍｍφの直径Ｒ２を有し、２０ｍｍの高さＨ２を有する。

台座４１及び柱状部材４２は、ガラス状炭素からなる。ガラス状炭素は、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂を焼成、炭素化することにより製造される。本実施の形態では、グラッシーカーボン、アモルファスカーボン、非晶質カーボン、非定形炭素、無定形炭素、非黒鉛化炭素、及びvitreous carbonは、ガラス状炭素に含まれるものとする。

台座４１及び柱状部材４２は、例えば、円柱形状のガラス状炭素を旋盤加工又はエッチングすることにより、一体的に作成される。

［カソード４と中間電位部材１３との位置関係］
図３は、図１に示すプラズマ装置１００におけるカソード４近傍の拡大図である。図４は、図１に示す中間電位部材１３を矢印Ｂ方向から見た図である。

図３及び図４を参照して、中間電位部材１３は、円盤状の部材であり、真空容器１の側壁と略平行となるように配置される。カソード４がカソードホルダ３に固定された場合、柱状部材４２の長軸方向（中心軸Ｘ方向）は、真空容器１の側壁に垂直な方向に延びる。従って、中間電位部材１３は、中心軸Ｘと垂直な方向に配置される。中間電位部材１３は、３ｍｍの厚さＴ１を有する。中間電位部材１３には、開口１３Ａが形成される。開口１３Ａは、円形であり、例えば、８ｍｍφの直径Ｒ４を有する。

カソードホルダ３に固定されたカソード４において、柱状部材４２は、中間電位部材１３よりも基板２０側に突出する。中間電位部材１３とカソード４の台座４１との距離Ｄ１は、例えば、７ｍｍである。中間電位部材１３と柱状部材４２の蒸発面４２Ａとの距離Ｄ２は、例えば、１０ｍｍである。

あるいは、カソードホルダ３に固定されたカソード４において、柱状部材４２の基板２０側の面（蒸発面４２Ａ）が中間電位部材１３の基板２０側の面と同一平面上に位置する。この場合、距離Ｄ１は、１７ｍｍであり、距離Ｄ２は、０ｍｍである。

カソード４がカソードホルダ３に固定された場合、中間電位部材１３と開口１３Ａとカソード４の柱状部材４２とは、同心円を形成する。開口１３Ａの直径Ｒ４が、８ｍｍφであり、柱状部材４２の直径が３ｍｍφであるため、中間電位部材１３は、柱状部材４２に接触することなく、柱状部材４２の周囲に配置される。中間電位部材１３と柱状部材４２との距離Ｌ１は、２．５ｍｍである。

［薄膜の製造方法］
図５は、プラズマ装置１００を用いたカーボン薄膜の製造方法を示す工程図である。図５を参照して、カーボン薄膜を製造するための準備工程を行う（ステップＳ１）。準備工程では、カソード４のカソードホルダ３への取り付け、基板２０の取り付け、中間電位部材１３の取り付け、トリガー電極８の取り付けなどが行われる。

その後、カソード４と、中間電位部材１３との位置関係を調整する（ステップＳ２）。具体的には、カソード４における柱状部材４２の蒸発面４２Ａが中間電位部材１３よりも基板２０側に突出するように位置関係を調整する。あるいは、カソード４における柱状部材４２の蒸発面４２Ａが、中間電位部材１３の基板２０側の面と同一平面上に位置するように位置関係を調整する。柱状部材４２の蒸発面４２Ａが、中間電位部材１３の基板２０側の面よりも、カソードホルダ３に近い位置にある場合、現在の柱状部材４２の高さ（Ｈ２）より大きい高さの柱状部材４２を有するカソード４に取り換えればよい。あるいは、支柱１２の長さを変更することにより、中間電位部材１３と真空容器１の側壁との距離を調整してもよい。

そして、排気口１１１を介して真空容器１内を排気し、真空容器１内の圧力を５×１０^−４Ｐａに設定する。

電源６によって基板２０に−１０Ｖ〜−３００Ｖの電圧を印加し（ステップＳ３）、電源７によってカソードホルダ３に−４０Ｖの電圧を印加する（ステップＳ４）。

そして、制御部１５は、トリガー電極８を移動させて、トリガー電極８を柱状部材４２の蒸発面４２Ａに接触させる（ステップＳ５）。その後、制御部１５は、トリガー電極８をカソード４から離反させる。これにより、アーク放電が開始し、アークスポットが蒸発面４２Ａに現れる。このアークスポットは、カソード４の溶融部であり、強く発光する。ステップＳ５の後に、制御部１５は、アーク放電が開始されたか否かを判断する（ステップＳ６）。例えば、カソードホルダ３と電源７との間に接続される電流検出器（図示せず）がアーク放電の発生を示す電流値を検出した場合、制御部１５は、アーク放電が開始されたと判断することができる。アーク放電が開始されていない場合（ステップＳ６においてＮｏ）、制御部１５は、トリガー電極８を柱状部材４２の蒸発面４２Ａに再度接触させる（ステップＳ５）。

一方、制御部１５は、アーク放電が開始されたと判断した場合（ステップＳ６においてＹｅｓ）、シャッター５を開ける（ステップＳ７）。これによって、カーボン薄膜（ＤＬＣ：Diamond Like Carbon）が基板２０上に形成される。そして、制御部１５は、放電が停止したか否かを判断する（ステップＳ８）。

ステップＳ８において、制御部１５は、放電が停止したと判断した場合（ステップＳ８においてＹｅｓ）、シャッター５を閉じる（ステップＳ９）。その後、上述したステップＳ５〜Ｓ８が繰り返し実行される。

一方、制御部１５は、放電が停止していないと判断した場合（ステップＳ８においてＮｏ）、所望の時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ１０）。所望の時間が経過していた場合（ステップＳ１０においてＹｅｓ）、制御部１５は、シャッター５を閉じる（ステップＳ１１）。これにより、カーボン薄膜の製造が終了する。所望の時間が経過していない場合（ステップＳ１０においてＮｏ）、制御部１５は、放電が停止しているか否かを再び判断する（ステップＳ８）。

［カソード４近傍の電界］
以下、トリガー電極８がカソード４の蒸発面４２Ａに接触した後におけるカソード４近傍の電界について説明する。

図６は、トリガー電極８がカソード４から離反した直後におけるカソード４近傍の電界を模式的に示す図である。図６を参照して、各参照符号とともに記載された括弧内の数値は、トリガー電極８が柱状部材４２に接触した後における、各参照符号が示す部位の電位を示す。

最初に、中間電位部材１３を設けない場合において、台座４１と柱状部材４２との間で生じる電位差について説明する。上述のように、図５に示すステップＳ４において、電源７がカソードホルダ３に−４０Ｖの電圧を印加する。カソードホルダ３は、台座４１と同じ直径Ｒ１（６４ｍｍφ）を有する。カソードホルダ３及び台座４１の直径Ｒ１が、柱状部材４２の直径Ｒ２に比べて十分に大きく、台座４１の高さＨ１と、柱状部材４２の高さＨ２とは、同程度の大きさである。カソードホルダ３は、例えば、銅などの導電性の金属から構成されているとする。これらの点を考慮すると、カソードホルダ３及び台座４１の各々の電気抵抗は、柱状部材４２の電気抵抗に比べて十分に小さい。従って、カソードホルダ３及び台座４１で発生する電位差を無視することができる。従って、台座４１の基板２０側の面（上面４１Ａ）における電位は、アーク放電が開始されたときに、−４０Ｖである。

柱状部材４２の蒸発面４２Ａの電位は、例えば、−３０Ｖである。柱状部材４２の直径Ｒ２は、３ｍｍφであるため、柱状部材４２の断面積は、台座４１の断面積の約０．２％である。柱状部材４２の抵抗値は、台座４１の抵抗値に比べてはるかに大きく、プラズマの抵抗値と同等であるために、柱状部材４２で生じる電位差を無視することができない。柱状部材４２の台座４１側の端部と、柱状部材４２の基板２０側の端部（蒸発面４２Ａ）との間には、１０〜２０Ｖ程度の電位差が生じるが、柱状部材４２で生じる電位差は、柱状部材４２の断面積、高さ、及びアーク電流の大きさに依存する。柱状部材４２の直径Ｒ２が３ｍｍφであり、高さＨ２が２０ｍｍであり、アーク放電により８０Ａの電流を流す場合、柱状部材４２において約１０Ｖの電位差が生じる。この結果、蒸発面４２Ａにおける電位は、上述のように、約−３０Ｖとなる。

上面４１Ａと蒸発面４２Ａとの間に約１０Ｖの電位差が生じるため、上面４１Ａと蒸発面４２Ａとの間に電界３１が生じる。蒸発面４２Ａの電位が上面４１Ａの電位よりも高いため、電界３１の向きは、蒸発面４２Ａから上面４１Ａを見た方向となる。

トリガー電極８が柱状部材４２の蒸発面４２Ａに接触することにより（ステップＳ５）、アーク放電が蒸発面４２Ａと真空容器１の壁面との間で発生する。カソード４を構成するガラス状炭素の蒸発により、炭素イオン（Ｃ^＋）と電子（ｅ⁻）とを含むプラズマが発生する。発生した炭素イオンの一部が、柱状部材４２の表面電界によって柱状部材４２に衝突し、衝突した個所から炭素イオンや電子を含むプラズマが新たに発生する。この結果、新たにアークスポットが発生する。上述のように、アークスポットの発生に伴って生じる電界３１の向きが、蒸発面４２Ａから上面４１Ａの方向であるため、炭素イオンは、上面４１Ａに引き寄せられ、従って、アークスポットも上面４１Ａに引き寄せられることになる。このように、中間電位部材１３を設けない場合、アークスポットが柱状部材４２から台座４１へ移動する現象（土台落ち）が発生する頻度が増加する。

しかし、中間電位部材１３を配置することにより、土台落ちを防ぐことができる。その理由は以下のように考えられる。

中間電位部材１３は、抵抗１０を介して接地されている。従って、アーク放電が発生するまでの間、中間電位部材１３の電位は０Ｖである。上述のように、ステップＳ４においてカソードホルダ３に−４０Ｖの電圧が印加され、ステップＳ５においてトリガー電極８が柱状部材４２に接触することにより中間電位部材１３から蒸発面４２Ａに向く電界３２が発生し、アーク放電が発生する。アーク放電により発生するプラズマ中の電子は、中間電位部材１３に流入する。この結果、中間電位部材１３の電位は、０Ｖから−５〜−１０Ｖに低下する。

中間電位部材１３の電位が低下しても、中間電位部材１３の電位は、蒸発面４２Ａの電位よりも高い。また、中間電位部材１３と蒸発面４２Ａとの電位差（２０Ｖ）は、台座４１と蒸発面４２Ａとの間の電位差（１０Ｖ）よりも大きいため、中間電位部材１３から蒸発面４２Ａに向く電界３２は、電界３１よりも大きい。結果として、アークスポットから発生した炭素イオンのうち、柱状部材４２の表面電界によって柱状部材４２に衝突する炭素イオンは、柱状部材４２の蒸発面４２Ａに引き寄せられる。よって、上述した通り、アークスポットは、蒸発面４２Ａ上に存在し続けることになる。

中間電位部材１３が柱状部材４２の周囲に位置しているため、中間電位部材１３は、蒸発面４２Ａと上面４１Ａとの間に生じる電界３１の一部を遮蔽する。中間電位部材１３を設置したときの電界３１の強度は、中間電位部材１３が設置されていないときの電界３１の強度よりも小さくなる。この結果、上述した場合（中間電位部材１３を設けない場合）よりも、アークスポットが強い電界３２により蒸発面４２Ａにより引き寄せられ、アークスポットの土台落ちが発生することを防ぐことができる。

柱状部材４２と中間電位部材１３との距離Ｌ１が小さくなるほど、電界３１を遮蔽する効果が大きくなる。距離Ｌ１を小さくすることにより、土台落ちの発生頻度を小さくすることができる。

［実験］
中間電位部材１３を設けたことによる効果を確認するために、以下に説明する実験を行った。

柱状部材４２は、断面形状が円形であり、直径Ｒ１が３ｍｍφのガラス状炭素により構成された。中間電位部材１３は、一辺の長さが３５０ｍｍの正方形であり、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）により構成された。

開口１３Ａの直径Ｒ４がそれぞれ５ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍ、１２ｍｍ、１６ｍｍ、２４ｍｍの中間電位部材１３を用いることにより、距離Ｌ１を１ｍｍ、２．５ｍｍ、３．５ｍｍ、４．５ｍｍ、６．５ｍｍ、１０．５ｍｍに設定した。

台座４１の電圧が−５０Ｖとなるように負の電圧を印加し、真空容器１内を排気装置（図示省略）によって９．９×１０^−３Ｐａまで排気し、アーク電流を１００Ａに設定した上で、真空容器１内で放電点弧した。アークスポットが柱状部材４２で発生した場合、アーク放電が４０秒間継続している間に、アークスポットが柱状部材４２から移動するか否かを確認した。

上記の実験を複数回繰り返し実行して、アークスポットが柱状部材４２から別の領域へ移動する頻度を計測した。

また、中間電位部材１３を取り外したプラズマ装置を用いて、上記の同様の条件による比較実験を繰り返し行った。

図７は、上記実験の結果を示す表である。図７を参照して、移動回数は、アークスポットが柱状部材４２から別の領域へ移動した回数である。移動確率は、アークスポットが柱状部材４２から別の領域へ移動した確率である。

距離Ｌ１が１ｍｍ、２．５ｍｍ及び３．５ｍｍのとき、アークスポットが柱状部材４２から移動しないことが確認された。一方、距離Ｌ１が４．５ｍｍ以上である場合、アークスポットが柱状部材４２から別の領域へ移動する場合があることが確認された。一方、中間電位部材１３を設けない場合（比較実験）では、アークスポットは、柱状部材４２から別の領域へ移動し、アーク放電が消弧したことが確認された。

これらの実験結果から、カソードホルダ３に取り付けられた柱状部材４２の周囲に中間電位部材１３を配置することにより、アークスポットが柱状部材４２以外の領域へ移動することを防ぐ効果が得られることが実証された。

距離Ｌ１が３．５ｍｍ以下である場合、アークスポットが柱状部材４２から別の領域へ移動しないことが実証された。また、距離Ｌ１を小さくすることにより、アークスポットが柱状部材４２から別の領域へ移動する確率が低くなることが実証された。

なお、上記第１の実施の形態において、柱状部材４２の断面形状及び開口１３Ａの形状が円形である場合を例に説明したが、これに限られない。図８は、柱状部材４２の変形例を示す図である。図８を参照して、柱状部材４２の断面は、楕円形であってもよい。この場合、開口１３Ａの中心が柱状部材４２の断面における長軸と短軸との交点と一致することが望ましい。距離Ｌ１は、柱状部材４２の断面の長軸方向における中間電位部材１３と柱状部材４２との間隔として定義される。

図９は、柱状部材４２及び開口１３Ａの変形例を示す図である。図９を参照して、柱状部材４２の断面形状及び開口１３Ａの形状が、正方形であってもよい。この場合、距離Ｌ１は、柱状部材４２の断面の一辺と、これに対向する開口１３Ａの一辺との間隔として定義される。なお、柱状部材４２の断面の中心（対角線の交点）は、開口１３Ａの中心と一致することが望ましい。

つまり、距離Ｌ１は、中間電位部材１３と柱状部材４２との間の最小間隔として定義される。

＜第２の実施の形態＞
［プラズマ装置の構成］
図１０は、第２の実施の形態に係るプラズマ装置の構成を示す概略図である。図１０を参照して、本実施の形態に係るプラズマ装置２００では、図１に示すトリガー電極８が、トリガー電極５０に変更されている。トリガー電極５０への変更に伴って、プラズマ装置２００は、抵抗１０と、フランジ１１と、支柱１２と、中間電位部材１３とを備えていない。

トリガー電極５０は、一部が真空容器１の側壁を介して真空容器１内に配置され、残部が真空容器１外に配置される。そして、トリガー電極５０は、例えば、Ｍｏからなり、抵抗９を介して接地ノードＧＮＤに接続される。

図１１は、トリガー電極５０の真空容器１内側の端部の側面図である。図１２は、図１１に示すトリガー電極５０をカソードホルダ３側（矢印Ｃ方向側）から見た平面図である。図１１及び図１２を参照して、トリガー電極５０は、本体部５１と、接触部材５２と、中間電位部材５３と、接続部５４とを備える。

本体部５１は、例えば、６ｍｍφの直径Ｒ５を有し、略Ｌ字型の形状である（図１０参照）。本体部５１の一部が真空容器１の側壁を介して真空容器１内に配置される。残部が真空容器１外に配置される。

接触部材５２は、本体部５１と一体的に形成された板状部材である。接触部材５２は、３ｍｍの厚さＤ３を有し、本体部５１の真空容器１内の端部から延びる。接触部材５２は、トリガー電極５０の真空容器１内の移動に伴って、カソードホルダ３に固定されたカソード４の蒸発面４２Ａに接触する。これにより、接触部材５２は、真空容器１内でアーク放電を発生させる。

中間電位部材５３は、接触部材５２から見てカソードホルダ３側に位置する。中間電位部材５３は、接触部材５２と対向して配置される。接触部材５２と中間電位部材５３との距離Ｋ１は、例えば、１０ｍｍである。また、中間電位部材５３には、例えば、１０ｍｍφの直径Ｒ６を有する開口５３Ａが形成される。

接触部材５２の一方の端部と中間電位部材５３の一方の端部とが接続部５４により接続される。接触部材５２と、中間電位部材５３と、接続部５４とにより形成される形状は、略Ｕ字状である。接続部５４により、接触部材５２及び中間電位部材５３は、電気的に接続される。

プラズマ装置２００を用いたカーボン薄膜の製造方法は、ステップＳ２を実行しない点を除き、図５に示す製造方法と同じである。

［カソード４とトリガー電極５０との位置関係］
以下、トリガー電極５０がカソード４の蒸発面４２Ａに接触するときにおける（ステップＳ５。図５参照）、トリガー電極５０とカソード４との位置関係について説明する。

ステップＳ５において、制御部１５は、トリガー電極５０を基板２０側からカソード４に近づける。そして、制御部１５は、柱状部材４２が中間電位部材５３に形成された開口５３Ａを通り抜けるように、トリガー電極５０を移動させる。制御部１５は、柱状部材４２の蒸発面４２Ａに接触部材５２を接触させた後、直ちにトリガー電極５０を柱状部材４２から離反させる。

図１３Ａは、接触部材５２が柱状部材４２に接触したときにおける、トリガー電極５０及びカソード４を示す図である。図１３Ｂは、図１３Ａに示すカソード４及びトリガー電極５０を矢印Ｄ方向から見た図である。

図１３Ａ及び図１３Ｂを参照して、制御部１５は、接触部材５２を蒸発面４２Ａに接触させるとき、中間電位部材５３が柱状部材４２に接触しないようにトリガー電極５０を移動させる。接触部材５２が柱状部材４２に接触したとき、中間電位部材５３は、柱状部材４２の側面に接触することなく、柱状部材４２の周囲に位置するように配置される。

この理由は、中間電位部材５３が柱状部材４２の側面に接触した場合、中間電位部材５３が接触した位置からアーク放電が発生し、接触位置がアークスポットとなる可能性があるためである。中間電位部材５３を柱状部材４２に接触させないことにより、蒸発面４２Ａ上にアークスポットを発生させることができる。

制御部１５は、接触部材５２が蒸発面４２Ａに接触した後に、接触部材５２を離反させる。これにより、アーク放電が開始される。アーク放電の開始により、アークスポットが蒸発面４２Ａ上に発生する。カソード４を構成するガラス状炭素がアークスポットで蒸発することにより、炭素イオン及び電子が放出される。制御部１５は、中間電位部材５３が柱状部材４２に接触しないように、トリガー電極５０を柱状部材４２から離反させる。この理由は、上記と同様に、蒸発面４２Ａ以外の柱状部材４２の領域でアークスポットを発生させないようにするためである。

図１４は、接触部材５２が蒸発面４２Ａから離反した直後におけるカソード４近傍の電界を示す図である。図１４を参照して、各参照符号とともに記載された括弧内の数値は、接触部材５２が柱状部材４２から離反した後における、各参照符号が示す部位の電位を示す。

ステップＳ４（図５参照）においてカソードホルダ３に−４０Ｖの電圧を印加した場合、アーク放電が開始されたときに、蒸発面４２Ａ及び上面４１Ａの電位は、上記第１の実施の形態と同様に、それぞれ−３０Ｖ及び−４０Ｖである。蒸発面４２Ａの電位が上面４１Ａの電位よりも高いため、蒸発面４２Ａと上面４１Ａとの間に電界３１が発生する。電界３１の向きは、蒸発面４２Ａから上面４１Ａを見た方向である。

接触部材５２が蒸発面４２Ａに接触していない場合、接触部材５２の電位は０Ｖである。中間電位部材５３が接触部材５２と電気的に接続されているため、中間電位部材５３の電位は、接触部材５２と同様に０Ｖである。従って、カソードホルダ３への負の電圧の印加に伴って、中間電位部材５３から蒸発面４２Ａに向く電界７２が発生する。

接触部材５２が蒸発面４２Ａに接触した後に蒸発面４２Ａから離反するときに、アーク放電が開始される。アーク放電が開始されたときに、接触部材５２及び中間電位部材５３の電位は、−３０Ｖに低下する。

その後、接触部材５２及び中間電位部材５３の電位は、０Ｖに戻る。中間電位部材５３の電位が蒸発面４２Ａの電位よりも高いため、アークスポットで発生したプラズマ中の電子が中間電位部材５３に流入する。この結果、中間電位部材５３の電位は、０Ｖから−５〜−１０Ｖに低下する。

中間電位部材５３と蒸発面４２Ａとの電位差（２０〜２５Ｖ）が、上面４１Ａと蒸発面４２Ａとの電位差よりも大きいため、電界７２は、電界３１よりも大きい。結果として、アークスポットから発生した炭素イオンのうち、柱状部材４２の表面電界によって柱状部材４２に衝突する炭素イオンは、蒸発面４２Ａに引き寄せられる。従って、アークスポットは、蒸発面４２Ａ上に存在し続けることになる。

また、接触部材５２が蒸発面４２Ａに接触したときに、中間電位部材５３が柱状部材４２の周囲に位置している。このため、中間電位部材５３は、電界３１の一部を遮蔽する。接触部材５２が蒸発面４２Ａから離反した直後において、中間電位部材５３が柱状部材４２の周囲に位置するときの電界３１の強度は、中間電位部材５３が周囲に位置しないときの電界３１の強度よりも小さくなる。この結果、電界７２と電界３１との差がさらに大きくなるため、アークスポットが電界７２により蒸発面４２Ａにより引き寄せられる。この結果、アークスポットの土台落ちが発生することを防ぐことができる。

接触部材５２の離反により、柱状部材４２が開口５３Ａを貫通する状態が解消される。つまり、中間電位部材５３は、柱状部材４２の周囲に位置しない領域へ移動する。この場合であっても、土台落ちは発生しない。

［実験］
プラズマ装置２００を用いて真空容器１内でアーク放電を発生させる実験を行った。実験の条件は、上記第１の実施の形態と同じである。中間電位部材５３に形成された開口５３Ａの直径Ｒ６を１０ｍｍとしている。つまり、中間電位部材５３と柱状部材４２との距離Ｌ１は、３．５ｍｍである。

図１５は、プラズマ装置２００を用いてアーク放電を発生させた実験結果を示す表である。図１５を参照して、アーク放電を発生させる実験を６回繰り返し、アークスポットが柱状部材４２から別の領域へ移動する頻度及び別の領域へ移動する確率を計算した。その結果、プラズマ装置２００において、アークスポットが柱状部材４２から別の領域へ移動する現象は確認されなかった。

なお、トリガー電極５０をトリガー電極８に交換したプラズマ装置を用いて、真空容器１内でアーク放電を発生させる比較実験を行った。比較実験は、６回繰り返し行われた。この結果、比較実験では、土台落ちが６回中２回発生し、アークスポットが柱状部材４２から別の領域へ移動する確率は、３３％であった。これらの実験結果から、プラズマ装置２００がアークスポットの土台落ちを防ぐことが実証された。

上記第２の実施の形態において、開口５３Ａが円形である例を説明したが、これに限られない。開口５３Ａは、図１６Ａに示すように、楕円形であってもよい。あるいは、開口５３Ａは、図１６Ｂに示すように、長方形であってもよい。

上記第２の実施の形態において、接触部材５２と、中間電位部材５３と、接続部５４とが略Ｕ字状の形状を形成する例を説明したが、これに限られない。例えば、接触部材５２及び中間電位部材５３をまとめて１つの部材としてもよい。図１７は、トリガー電極８０を示す図である。トリガー電極８０は、断面が矩形の棒状部材であり、真空容器１内の端部近傍に開口８０Ａが形成される。開口８０Ａの深さＥ１は、例えば、１０ｍｍである。図５に示すステップＳ４では、開口８０Ａの底面は、蒸発面４２Ａに接触する接触部材５２として機能する。開口８０Ａの側壁は、柱状部材４２の周囲に位置するため、中間電位部材５３として機能する。このように、トリガー電極８０は、接触部材５２及び中間電位部材５３との機能を有するため、上記第２の実施の形態のトリガー電極５０と同様の効果を得ることができる。

また、上記第１及び第２の実施の形態において、カソード４が、ガラス状炭素により形成される例を説明したが、これに限られない。例えば、カソード４は、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属、あるいはこれらの金属の合金であってもよい。あるいは、カソード４は、シリコン（Ｓｉ）などの半導体であってもよい。つまり、トリガー電極８が柱状部材４２から離反した後において、中間電位部材１３と蒸発面４２Ａとの電位差Ｖ２が、柱状部材４２の基板２０側の端部（蒸発面４２Ａ）とカソードホルダ３側との端部との電位差Ｖ１よりも大きければよい。

また、上記第１及び第２の実施の形態において、カソード４が、台座４１及び柱状部材４２を有する例を説明したが、これに限られない。カソード４は、台座４１を有していなくてもよい。この場合であっても、柱状部材４２の周辺空間において、柱状部材４２の蒸発面４２Ａから柱状部材４２のカソードホルダ３側の端部にかけて、電界３１が発生するため、アークスポットがカソード４以外の領域に移動することを防ぐことができる。

また、上記第１及び第２の実施の形態において、台座４１及び柱状部材４２が一体的に作成される例を説明したが、これに限られない。図１８に示すカソード４０のように、台座４１０及び柱状部材４２０は、別々の部材であってもよい。カソード４０において、柱状部材４２０は、カソード４１０の上面４１０Ａに形成された穴に差し込まれることにより固定される。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

１００，２００ プラズマ発生装置
１ 真空容器
２ 保持部材
３ カソードホルダ
４，４０ カソード
８，５０ トリガー電極
６，７ 電源
１３，５３ 中間電位部材
２０ 基板
４１，４１０ 台座
４１Ａ，４１０Ａ 上面
４２，４２０ 柱状部材
４２Ａ 蒸発面
５２ 接触部材

Claims (8)

1. 真空容器と、
   柱状形状を有する柱状部材を含むカソードと、
   前記真空容器内に配置され、基板を保持する保持部材と、
   前記真空容器に取り付けられ、前記柱状部材が前記基板の位置する方向に伸びるように前記カソードを前記真空容器内に固定するカソードホルダと、
   前記カソードホルダに負の電圧を印加する電源と、
   前記カソードに接触することにより前記真空容器内に放電を発生させる放電開始部材と、
   少なくとも前記放電開始部材が前記カソードに接触するときに前記柱状部材の周囲に位置し、前記カソードホルダにより固定された柱状部材の長軸方向に垂直な方向に配置される導電性の中間電位部材とを備え、
   前記柱状部材のカソードホルダ側の端部と前記柱状部材の前記基板側の端部との間に生じる電位差の絶対値が、前記基板側の端部と前記中間電位部材との間に生じる電位差の絶対値よりも小さい、プラズマ発生装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ発生装置であって、
   前記中間電位部材と前記柱状部材との間隔の最小値が、３．５ｍｍ以下であるプラズマ発生装置。
3. 請求項１又は２に記載のプラズマ発生装置であって、
   前記柱状部材は、ガラス状炭素であるプラズマ発生装置。
4. 真空容器と、
   柱状形状を有する柱状部材を含むカソードと、
   前記真空容器内に配置され、基板を保持する保持部材と、
   前記真空容器に取り付けられ、前記柱状部材が前記真空容器の内側に向かって伸びるように前記カソードを前記真空容器内に固定するカソードホルダと、
   前記カソードホルダに負の電圧を印加する電源と、
   前記真空容器内を移動可能であり、前記カソードホルダにより固定されたカソードの柱状部材に接触することにより前記真空容器内で放電を発生させる放電開始部材と、
   前記放電開始部材が前記柱状部材に接触するように前記放電開始部材の移動を制御する制御部とを備え、
   前記放電開始部材は、
   前記制御部による移動制御により前記柱状部材の先端に接触する接触部材と、
   前記接触部材が前記先端に接触するときに前記柱状部材の周囲に位置する中間電位部材とを含み、
   前記制御部は、前記接触部材が前記先端に接触した後に前記柱状部材から離れた位置に前記放電開始部材を移動させるプラズマ発生装置。
5. 請求項４に記載のプラズマ発生装置であって、
   前記接触部材が前記先端に接触したときにおける前記中間電位部材と前記柱状部材との間隔の最小値が、３．５ｍｍ以下であるプラズマ発生装置。
6. 請求項４又は請求項５に記載のプラズマ発生装置であって、
   前記柱状部材のカソードホルダ側の第１端部と、前記第１端部と反対に位置する前記柱状部材の第２端部との間に生じる電位差の絶対値が、前記第２端部と前記中間電位部材との間に生じる電位差の絶対値よりも小さいプラズマ発生装置。
7. 真空容器に基板を固定するステップと、
   前記真空容器に固定されたカソードホルダに、柱状形状を有する柱状部材を含むカソードを取り付けるステップと、
   前記カソードホルダに取り付けられたカソードにおける柱状部材に垂直に配置された中間電位部材が前記柱状部材の周囲に位置するように、前記柱状部材と前記中間電位部材との位置関係を調整するステップと、
   前記中間電位部材との位置関係が調整された柱状部材の蒸発面に、放電開始部材を接触させることにより、前記柱状部材から放電を発生させるステップとを備える薄膜の製造方法。
8. 真空容器に基板を固定するステップと、
   真空容器に固定されたカソードホルダに、柱状形状を有する柱状部材を含むカソードを取り付けるステップと、
   接触部材と、前記接触部材に対向する中間電位部材とを含む放電開始部材を前記真空容器に取り付けるステップと、
   前記カソードホルダに固定されたカソードの柱状部材の周囲に前記中間電位部材が位置するように、前記柱状部材において前記基板に対向する蒸発面に前記接触部材を接触させることにより、前記柱状部材から放電を開始させるステップとを備える薄膜の製造方法。

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