JP4976677B2 - 成膜装置、成膜方法およびフィールドエミッションランプに用いるワイヤ状陰極 - Google Patents

Description

本発明は、成膜対象である基板の上方の炭化水素と水素との混合ガスの真空の雰囲気にプラズマを発生させて当該基板の表面に炭素膜を成膜する成膜装置に関するものであり、また、その成膜方法およびフィールドエミッションランプに用いるワイヤ状陰極に関する。

フィールドエミッションランプは、電界放射型ディスプレイ等のフラットパネルディスプレイ、直管やサークル形状の照明ランプを含む。

図８ないし図１２を参照して本発明の前提となる成膜装置(直流プラズマＣＶＤ装置)を説明する。

図８はその成膜装置の概略構成を示す図、図９は図８の（９）−（９）線に沿う断面図、図９は成膜装置で成膜されたワイヤ状陰極の長手方向に沿う断面図、図１０はワイヤ状陰極の長手方向の一部を拡大して示す縦断面図、図１１（ａ）はワイヤ状陰極の例えば長手方向中央箇所の一部を拡大して示す横断面図、図１１（ｂ）はワイヤ状陰極の例えば長手方向一端側の一部を拡大して示す横断面図、図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）は図８の成膜装置で表面に炭素膜が成膜されたワイヤ状陰極をフィールドエミッションランプに組み込んでその発光特性の説明に供する図である。

図８に示す成膜装置においては、真空チャンバ２の内圧が所要の真空度に制御されかつその内部にガス導入口４から炭化水素と水素とを含む反応ガスが導入されかつガス排気口６からガスが排気されるようになっている。

真空チャンバ２の内部には上下一対で平行に平板電極８，１０が対向配置されている。上側の平板電極８に直流電源１２の負極側電圧が印加される。直流電源１２の正極側は接地されている。下側の平板電極１０は接地されている。下側平板電極１０の電極面上に成膜対象である導電性ワイヤ１４が搭載されている。これら一対の平板電極８，１０の電極面は平坦な平面視円形の面形状になっている。

以上の構成を備えた成膜装置においては、真空チャンバ２の内圧を所要の真空度に制御しつつその内部にガス導入口４から炭化水素と水素とを含む反応ガスが導入するとともに一対の平板電極８，１０間に直流電圧を印加することにより、下側平板電極１０の上方空間にプラズマ１６を発生させ、このプラズマ１６により炭化水素ガスを分解して導電性ワイヤ１４の表面に炭素膜を成膜することができるようになっている。

この場合、上記成膜装置で発生するプラズマ１６は、平面視形状が円形である下側平板 電極１０の電極面上に図８および図９(図８の（９）−（９）線に沿う断面図)で示すようにドーム状に発生している。そのドーム状について詳しく考察する。プラズマ中で電子は加速されプラズマ中に含まれる原料分子である炭化水素を分解して導電性ワイヤ１４の表面に炭素膜が成膜される。そして、上記の場合、電極面上に発生したプラズマ１６の電極面からの存在高さは中央で最も高く、その電極面中央から電極面周縁にかけて放物線を描くようにその存在高さが低くなり電極面周縁で存在高さが最も低くなっている。炭化水素の分解に寄与する化学種は電子以外にもイオン等があるが電子がその分解に大きく寄与する。

すなわち、プラズマ１６の断面形状としてはその存在高さをなぞる線によりドーム状ないしは放物線状になっている。しかもそのプラズマ１６のドーム形状も安定化しにくい。そのためプラズマ１６の電極面中央ではその周縁よりも、電子が原料分子である炭化水素ガスと衝突する頻度が高くなること、温度分布も変化する等により、炭化水素の分解量が多くなり導電性ワイヤ１４の表面に成膜（堆積）される炭素膜の膜厚が変化すると考えられる。

そのため、そのプラズマ１６により導電性ワイヤ１４の表面に炭素膜の膜厚はその長手方向にも円周方向にも不均一となり、導電性ワイヤ１４の表面には図１０で示すように長手方向中央側では炭素膜１８が例えば厚膜に成膜されたり、長手方向一端側では炭素膜１８が例えば薄膜に成膜されたりする。

また、図１１（ａ）（ｂ）で示すように炭素膜１８は導電性ワイヤ１４の長手方向に不均一な膜厚で成膜されるだけではなく、また、導電性ワイヤ１４の長手方向中央側での炭素膜１８の円周方向の膜厚と長手方向一端側での炭素膜１８の円周方向の膜厚も不均一に成膜されたりする。その結果、導電性ワイヤ１４の表面にはその長手方向の膜厚ｄ０においても、円周方向の膜厚ｄ１，ｄ２においても膜厚不均一でかつ膜質も低品質な炭素膜１８が成膜されてしまう。

したがって、図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）を参照して、このように炭素膜１８が導電性ワイヤ１４の長手方向（膜厚ｄ０）にも円周方向（膜厚ｄ１，ｄ２）にも膜厚不均一かつ低品質に成膜されているワイヤ状陰極２０をフラットパネル２２，２４内部に蛍光体２６付きの陽極２８と対向配置しこれらの間に電界を印加してワイヤ状陰極２０から電界放射により電子を放出させた場合、電子の放出量を矢印の大きさで電子放出の向きを矢印の向きで表した場合、図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）で示すように電子放出量がワイヤ状陰極２０の円周方向で不均一になっている。この場合、ワイヤ状陰極２０の長手方向においても図示は略しているが電子放出量は不均一になっている。そのため、ワイヤ状陰極２０から放出された電子の衝突で励起発光される蛍光体２６の発光輝度は不均一となり、フィールドエミッションランプの発光特性が悪くなっている。

そこで、ワイヤ状陰極２０の長手方向および円周方向に炭素膜１８が均一に成膜されるようにする必要があるが、このような成膜は図８に示す成膜装置では困難である。
特開２００４−２１６２４６号公報

本発明が解決しようとする課題は、導電性ワイヤ等の基板の表面全体に炭素膜を膜厚均一かつ高品質な膜質で成膜することができるプラズマを発生させることができる成膜装置を提供することである。

（１）本発明に係る成膜装置は、真空チャンバと、この真空チャンバの内部で平行に対向配置された一対の平板電極とを備え、両平板電極間に直流電源を印加しかつ真空チャンバ内に炭化水素と水素とを含む反応ガスを導入して一方の平板電極上に配置された基板の上方空間にプラズマを発生させて該基板の表面に炭素膜を成膜する成膜装置において、上記両平板電極の電極面を互いに同寸法同形状の平坦でかつ平面視矩形をなす形状として、上記プラズマが、電極面にほぼ平行となる断面形状をなして発生することが可能になっていることを特徴とするものである。

上記基板はその形状に限定されず、例えばワイヤ等を含む。

本発明ではプラズマの存在高さが、平板電極の電極面全体にかけて均等となる断面形状でプラズマを発生させることが可能となった。その結果、本発明の成膜装置では、基板表面全体にかけてその上方空間で発生するプラズマ中における電子が原料分子である炭化水素ガスと衝突する頻度が均等化される等して、分解される炭化水素ガスの量がほぼ均等化するので、基板表面に従来よりも高品質でかつ均一な膜厚で炭素膜を成膜することができるようになる。

本発明の好ましい態様は、平板電極の電極面形状が、長方形形状であり、より好ましくは、短辺が１０−３０ｍｍ、長辺が１２０−２２０ｍｍの長方形形状である。この態様では導電性ワイヤの長手方向寸法と直径方向寸法と対応することができ、従来ではなし得なかった導電性ワイヤの長手方向全体に均等な膜厚で炭素膜を成膜することを可能にすることができる。

このように本発明においては、平板電極の電極面の長手方向の寸法を導電性ワイヤの長さ寸法に合わせ、かつ、電極面の短手方向の寸法を導電性ワイヤの直径と例えば同等ないしは数本分程度にした場合、プラズマが導電性ワイヤの長手方向全体にかけてほぼ均等な存在高さとなり、導電性ワイヤ全体に膜厚均等に炭素膜を成膜させることができるようになる。

（２）本発明に係る成膜方法は、導電性ワイヤ等の基板の表面に炭素膜を成膜する成膜方法において、上記（１）に記載の成膜装置の真空チャンバ内の一方の平板電極上に基板を載せ、真空チャンバの内圧を１０ないし１００００Ｐａ、直流電源の電圧を１００ないし２０００Ｖに設定し、両平板電極間に該直流電源から電圧を印加し、かつ真空チャンバ内に炭化水素と水素とを含む反応ガスを導入して上記一方の平板電極上に配置された基板の上方空間にプラズマを発生させて該基板表面に炭素膜を成膜することを特徴とするものである。

上記において、真空チャンバの圧力は、より好ましくは１０００−２０００Ｐａ、直流電源の電圧は、より好ましくは３００ないし１０００Ｖ、より好ましくは５００−８００Ｖである。この圧力と電圧とを適宜に設定することにより基板表面に炭素膜を成膜することができる。

本発明の成膜方法によれば、この方法の実施に用いる成膜装置の真空チャンバ内部に配置した両平板電極の電極面が互いに同寸法同形状の平坦でかつ平面視矩形をなす形状であるために平板電極の電極面上にその存在高さをなぞる線が当該電極面にほぼ平行となる矩形形状のプラズマが発生する結果、このプラズマ中の電子により基板表面に成膜される炭素膜の膜厚を基板表面全体に均一にすることができる。

本発明によれば、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ようにプラズマを発生させることができる。

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成膜装置を説明する。図１は実施の形態の成膜装置の概略構成を示す図である。図１を参照して実施の形態の成膜装置は、導電性または絶縁性の真空チャンバ２を備える。真空チャンバ２にはガス導入口４とガス排出口６とが設けられている。プラズマ発生用ガスは水素ガス、原料ガスは炭化水素系ガスである。真空チャンバ２の内圧は１０Ｐａから１００００Ｐａの範囲となるようガス導入制御弁３、ガス排気制御弁５で制御される。真空チャンバ２の内部には、一対の平板電極８，１０がアノード側とカソード側で平行に対向して配置されている。カソード側の平板電極８には直流電源１２の負極側の電位が印加される。この直流電源１２の正極側は接地されている。直流電源１２は電圧１００ないし２０００Ｖに可変調整することができる。

図２で示すように両平板電極８，１０の電極面は、互いに同寸法同形状の平坦でかつ平面視矩形をなす形状に形成され、真空チャンバ２内部において一定距離隔てられた位置で互いに平行でかつそれぞれの投影線が上下方向でほぼ完全に一致するように位置調整されて配置されている。平板電極８，１０の電極面は、短辺が１０−３０ｍｍ、長辺が１２０−２２０ｍｍの長方形の形状をなしている。

以上の構成を備えた成膜装置において、真空チャンバ２の内圧を上記圧力範囲で減圧しかつガス導入口４から水素ガスと炭化水素系ガスとを導入し、直流電源１２の負電位をカソード側の平板電極８に印加すると、アノード側の平板電極１０の電極面上に水素ガスによるプラズマ１６が発生して炭化水素ガスが分解される結果、導電性ワイヤ１４表面に炭素膜が成膜される。

図３および図４を参照して上記プラズマ１６の断面形状を説明する。図３は、図１の成膜装置による平板電極上に発生するプラズマの長手方向断面を示す図、図４は、図１の成膜装置による平板電極上に発生するプラズマの横断面を示す図である。これらの図に示す平板電極１０には導電性ワイヤ１４がその長手方向を平板電極１０の長手方向に合わせた状態で複数本互いに並列に配置されている。

このように平板電極１０を長方形の形状にした場合、本出願人が実験により確認したところ、プラズマ１６は平板電極１０のどの電極面位置においてもその存在高さが均等、すなわち、その存在高さをなぞる線が電極面に対してほぼ平行となり、その断面形状は平板電極１０の電極面を矩形の１辺とし該１辺とこれに対向する辺とがほぼ平行となる矩形形状で発生するようになった。そして、このような断面形状を有するプラズマ１６中で導電性ワイヤ１４の表面に炭素膜を成膜した場合、その炭素膜の膜厚（ｄ０，ｄ１，ｄ２）のうち導電性ワイヤ１４の長手方向全体にかけての膜厚ｄ０に関しては均一化されるようになった。また、膜厚ｄ１，ｄ２に関しては導電性ワイヤ１４の少なくとも円周方向半分においてはどの円周方向箇所でもほぼ同等程度の膜厚になった。

これについて本出願人は次のように考察した。

すなわち、プラズマ１６中で電子が原料分子である炭化水素ガスと衝突する頻度が均等化され、また、温度分布も均一化される等により、炭化水素ガスの分解も電極面全体に均等化される結果、電子により分解される炭化水素ガスの量は同電極面全体にわたり均等となり、これにより平板電極１０の電極面に配置された導電性ワイヤ１４の表面に成膜される炭素膜の膜厚はその長手方向全体に均等となったものと考えられる。

この炭素膜１８は本出願人による成膜条件ではカーボンナノウォール膜になっている。カーボンナノウォール膜は多数のナノオーダの壁状炭素薄片が平面方向に集合連成された形態の膜である。カーボンナノウォール膜は、電気伝導度の高いグラファイトに近い結晶構造を持ち、数十層のグラフェンシートからなり、電圧印加により端部である壁状部の上面の凹凸膜表面に高い電界集中が起こって電子放出するものである。もちろん、成膜条件を変更することにより他の形態の炭素膜を成膜することができるものであり、本実施の形態にいう炭素膜はカーボンナノウォール膜に限定されない。

図５および図６を参照して上記プラズマ１６で炭素膜１８が表面に成膜されたフィールドエミッションランプ用のワイヤ状陰極２０を示す。図５にワイヤ状陰極２０の長手方向における一部を拡大して示し、図６（ａ）にワイヤ状陰極２０の長手方向中央での横断面を拡大して示し、図６（ｂ）にワイヤ状陰極２０の一端側での横断面を拡大して示す。図５、図６は説明の理解のためワイヤ状陰極２０の直径と炭素膜１８の膜厚との寸法比率を無視して誇張して示している。図５、図６（ａ）（ｂ）で示すように導電性ワイヤ１４の表面には長手方向においても円周方向においても炭素膜１８が膜厚均一に成膜されている。

図７に実施の形態の成膜装置で製造したワイヤ状陰極２０を組み込んだフラットパネル型のフィールドエミッションランプ２１の概略構成を部分的に示す。このフィールドエミッションランプ２１は、上下一対のフラットパネル２２，２４を備え、一方のフラットパネル２２の内面にワイヤ状陰極２０が配置されている。他方のフラットパネル２４の内面には蛍光体２６付き陽極２８が設けられている。陽極２８は、フラットパネル２４の内面にＩＴＯやアルミニウム等の金属をスパッタリングやＥＢ蒸着等により薄膜状にして形成されているとともに、スラリー塗布法、スクリーン印刷、電気永動法、沈降法等により蛍光体２６が膜状に形成されて構成されている。

ワイヤ状陰極２０と陽極２８との間に図示略の直流電源から数ｋＶの電圧を印加することにより、ワイヤ状陰極２０の表面の炭素膜に電界集中が発生して電子が電界放射により放出され、その放出された電子は蛍光体２６に衝突し、該蛍光体２６は励起発光して光がフィールドエミッションランプ２１の外部に放出される。

このフィールドエミッションランプ２１ではワイヤ状陰極２０の表面に炭素膜がその長手方向にも円周方向にも均一に成膜されているので電子は矢印で示すように均等に放出される結果、発光特性に輝度むらがないフィールドエミッションランプを提供することができる。

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成膜装置の概略構成を示す図である。 図２は、図１の成膜装置の真空チャンバ内部で互いに平行に配置される平板電極の斜視図である。 図３は、図１の成膜装置による平板電極上に発生するプラズマの長手方向断面を示す図である。 図４は、図１の成膜装置による平板電極上に発生するプラズマの横断面を示す図である。 図５は、図１の成膜装置で炭素膜が成膜されたワイヤ状陰極の長手方向の一部を拡大して示す断面図である。 図６（ａ）は図５のワイヤ状陰極の中央部における横断面の一部を拡大して示す断面図、図６（ｂ）は図５のワイヤ状陰極の一端側における横断面の一部を拡大して示す断面図である。 図７は図５、図６に示すワイヤ状陰極を組み込んだフィールドエミッションランプの一部を拡大して示す断面図である。 図８は本発明の前提となる成膜装置の概略構成を示す図である。 図９は図８の（Ａ）−（Ａ）に沿う断面図である。 図１０は図８の成膜装置で炭素膜が成膜されたワイヤ状陰極の長手方向の一部を拡大して示す断面図である。 図１１（ａ）は図１０のワイヤ状陰極の中央部における横断面の一部を拡大して示す断面図、図１１（ｂ）は図１０のワイヤ状陰極の一端側における横断面の一部を拡大して示す断面図である。 図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）は図８の成膜装置で炭素膜が成膜されたワイヤ状陰極を組み込んだフィールドエミッションランプの一部を拡大して示す断面図である。

符号の説明

２ チャンバ
４ ガス導入口
６ ガス排気口
８ 平板電極
１０ 平板電極
１２ 直流電源
１４ 導電性ワイヤ
１６ プラズマ

Claims (5)

1. 真空チャンバと、この真空チャンバの内部で平行に対向配置された一対の平板電極とを備え、両平板電極間に直流電源を印加しかつ真空チャンバ内に炭化水素と水素とを含む反応ガスを導入して一方の平板電極上に配置された基板の上方空間にプラズマを発生させて該基板の表面に炭素膜を成膜する成膜装置において、上記両平板電極の電極面を互いに同寸法同形状の平坦でかつ平面視矩形をなす形状として、上記プラズマが、一方の平板電極の電極面にほぼ平行となる断面形状をなして発生することが可能になっている、ことを特徴とする成膜装置。
2. 上記両平板電極の電極面の形状が長方形になっている、ことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 上記長方形が、短辺が１０−３０ｍｍ、長辺が１２０−２２０ｍｍである、ことを特徴とする請求項２に記載の成膜装置。
4. 導電性ワイヤ等の基板の表面に炭素膜を成膜する成膜方法において、請求項１ないし３のうちのいずれか１項に記載の成膜装置の真空チャンバの一方の平板電極上に基板を載せ、真空チャンバの内圧を１０ないし１００００Ｐａ、直流電源の電圧を１００ないし２０００Ｖに設定し、両平板電極間に該直流電源から電圧を印加し、かつ真空チャンバ内に炭化水素と水素とを含む反応ガスを導入して上記一方の平板電極上に配置された基板の上方空間にプラズマを発生させて該基板表面に炭素膜を成膜する、ことを特徴とする成膜方法。
5. フィールドエミッションランプに用いるワイヤ状陰極であって、請求項４に記載の成膜方法により導電性ワイヤの表面に炭素膜が成膜されてなる、ことを特徴とするワイヤ状陰極。

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