JP5116999B2 - プラズマ発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、装置の真空内部に成膜用ガスを導入してプラズマＣＶＤ(化学気相成長)により成膜対象物の表面に成膜する際に、装置の真空内部に配置した電極に電圧を直接または間接に印加してプラズマを発生するプラズマ発生装置に関するものである。

従来のプラズマ発生装置では、装置内部に平行に一対の平板電極を配置し、これら両平板電極間に電圧を印加することにより成膜用プラズマを発生するようになっている。上記構成のプラズマ発生装置を用いて、装置の真空内部に炭素膜成膜ガスを導入し両平板電極間に直流電圧を印加することにより当該両平板電極間に成膜用プラズマを励起させ、そしてこの成膜用プラズマ中に成膜対象物を配置することにより、この成膜対象物の表面に所要の成膜を施す成膜装置がある。

そして、この成膜装置により、成膜対象物全体に高品質に成膜させる上では、成膜用プラズマを導体ワイヤ全体に均等な密度でかつ高密度で発生させることが必要である。

しかしながら、上記プラズマ発生装置では、両平板電極間に発生する成膜用プラズマは電極面上でドーム形状に発生して電極端部側と電極中央側とで成膜用プラズマ密度が異なり、また、電極が対向しているだけであるから成膜用プラズマが周囲に漏洩しやすく、高密度な成膜用プラズマを得難いために、成膜対象物の表面全体に均等な膜厚でかつ高品質に成膜を施すことはできなかった。

加えて、複数の成膜対象物を両平板電極間に配置した場合では、これら複数の成膜対象物それぞれの全体に同等に成膜用プラズマを均等な密度でかつ高密度で発生させて、いずれの成膜対象物にも均等な膜厚でかつ高品質に成膜することは難しい。

そのため、両平板電極間に成膜対象物を多数配置し、これら成膜対象物に一度に成膜して成膜対象物を量産することはできなかった。
特開２００４−２１６２４６号公報

本発明が解決しようとする課題は、装置内部に配置した成膜対象物の全体に均等にかつ高密度にプラズマを発生可能にして該成膜対象物の表面に高品質に成膜することを可能としたプラズマ発生装置を提供することである。

本発明に係るプラズマ発生装置は、プラズマＣＶＤ装置における真空チャンバ内に成膜用ガスを導入してプラズマＣＶＤにより成膜対象物の表面に成膜するためにプラズマを発生するプラズマ発生装置であって、上記真空チャンバの内壁を接地電位に設定し、上記真空チャンバ内に、金属製メッシュから構成され、接地電位に対して負電位の直流電圧の印加により内部にプラズマを発生させる筒状電極を複数個並設し、上記筒状電極の複数個を、互いの外周面が接触した状態で配置したことを特徴とするものである。

本発明によると、装置内部に配置した複数の筒状電極それぞれの内部にプラズマを漏洩させることなく均等な密度でかつ高密度に閉じ込めることができるようになる。

その結果、これら各筒状電極内部それぞれに例えば成膜対象物を配置し、上記プラズマを成膜用プラズマとして発生させるとともにその内部に成膜用ガスを導入することにより該成膜対象物の表面全体に均等な膜厚で高品質な膜を成膜させることができるとともに、複数の筒状電極の各内部に成膜対象物を配置することにより、複数の成膜対象物の表面に一度に膜を成膜してそれら成膜対象物を部品として組み込む製品においては当該部品を一挙に多数製造することができることになり、当該製品の量産化に大きく寄与することができるようになる。

すなわち、本発明では、装置の真空内部のどの内部位置に筒状電極を配置してもその筒状電極内部に高密度にプラズマを発生することができるので高品質な膜を成膜するための成膜操作が容易であることに加えて、複数の筒状電極それぞれの内部のいずれに対しても上記プラズマを高密度に発生させることができるので、それら筒状電極内部それぞれに成膜対象物を配置し成膜用ガスを導入することによりそれら成膜対象物のいずれの表面にも均等な品質の膜を高品質に成膜することができるようになり、結果としてそれら成膜対象物を部品に用いる製品を量産することができる。

これに対して従来では一対の平行平板電極間にプラズマが発生しており、平行平板電極間の位置によってはプラズマの発生密度が変化しているので、複数の成膜対象物を両平行平板電極間に配置し成膜用ガスを導入して成膜対象物表面に成膜を施す場合、それら成膜対象物それぞれの表面に互いに均等な品質で膜を成膜することができない。

特に、成膜用ガスを導入して成膜対象物表面を成膜する場合では、筒状電極の外周壁をメッシュ状の壁構造としているので、筒状電極内部に上記成膜用ガスがより効率的に流入させることができ、より低電力でプラズマを発生させて効率的な成膜が可能となって好ましい。

上記筒状電極は上記プラズマを成膜用プラズマとし内部に成膜用ガスを導入することにより成膜対象物表面に成膜を施す場合は、内部に成膜対象物を配置することができる内径を有するものであればその形状に限定されず、円筒形でも角筒形でもよい。

なお、上記プラズマ発生装置を成膜装置に利用する場合では、成膜対象物の形状や構造は何でもよく例えば基板や導体ワイヤ等を含む。成膜対象物は内部中実、内部中空の基板やワイヤであってもよいし、直線状や曲線状の基板やワイヤであってもよい。全体が導電部材から構成された基板やワイヤであってもよいし、内部が絶縁性線材の表面に導電部材を設けた基板やワイヤであってもよい。

本発明によれば、装置の真空内部空間に複数の筒状電極を並設し、それぞれの筒状電極の内部にプラズマを高密度に閉じ込めた状態で発生させることができるので、各筒状電極それぞれの内部に例えば成膜対象物を配置し成膜用ガスを導入するとこれら複数の成膜対象物表面に一度に均等な膜厚でかつ高品質な膜を成膜することができることにより、当該成膜対象物を組み込む製品の量産化に貢献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プラズマ発生装置を説明する。実施の形態のプラズマ発生装置は成膜装置に組み込まれ、その成膜装置において成膜用プラズマを発生する装置として用いる例で説明するが、その発生するプラズマの用途は実施の形態に限定されない。

図１に実施の形態のプラズマ発生装置が組み込まれる成膜装置を示す。図１を参照して、この成膜装置は、真空チャンバ２を備える。この真空チャンバ２の内部にガスボンベ４から成膜用プラズマ発生用の水素ガスと原料ガスである炭化水素ガスとが混合され、この混合ガスはガス圧力／流量調節回路６により圧力と流量とを調節されてその導入部２ａを通じて真空チャンバ２内に導入することができるようになっている。

真空チャンバ２の排気部２ｂには排気制御弁（真空バルブ）８を介して真空排気系１０が接続されており、真空チャンバ２の内部圧力が調節される。原料ガスや成膜用プラズマ発生用ガスはこれに限定されるものではない。水素ガスに代えて窒素ガス、アルゴンガスを用いることができる。真空チャンバ２内は、真空排気系１０により排気制御弁８の開度制御の下で例えば１０Ｐａから１００００Ｐａの範囲の圧力に制御される。

真空チャンバ２内部には、プラズマ発生装置である複数のＳＵＳ等からなる筒状電極１２が互いの外周面が電気的に接触する状態でかつ並設されている。これら複数の筒状電極１２は金属製メッシュをほぼ円筒形に巻いて構成したものである。これら筒状電極１２の内部には成膜対象物の一例である導体ワイヤ１４が配置されている。成膜対象物は何でもよいので導体ワイヤ１４に限定されないことはもちろんである。

筒状電極１２には成膜用プラズマ励起用の直流電源の負極側の電位が印加される。直流電源１６の正極側は接地されている。真空チャンバ２は接地されている。直流電源１６は例えば電圧１００ないし２０００Ｖに可変調整することができる。

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部２ａから水素ガスと炭化水素系ガスとを導入し、直流電源１６の負電位を筒状電極１２に印加すると、各筒状電極１２の内部に水素ガスによる成膜用プラズマが発生して炭化水素ガスが分解される結果、導体ワイヤ１４表面に炭素膜が成膜される。

図２、図３を参照して上記筒状電極１２の内部に発生する成膜用プラズマについて説明する。図２に図１に示す筒状電極１２の外観を示し、図３に筒状電極１２の断面構成を示す。筒状電極１２それぞれは内径が共に同一の断面円形をなしており、その中央部に導体ワイヤ１４が配置されている。

筒状電極１２は、直流電源１６の印加により、破線で示すように成膜用プラズマ１８を発生することができる。この成膜用プラズマ１８の密度は直流電源１６の電圧が同一であっても筒状電極１２の内径を小さくするほど高くなる。筒状電極１２の形状が同一であれば、各筒状電極１２の内部に発生する成膜用プラズマ１８の密度を同一に制御することができる。

筒状電極１２の外周壁は金属線をメッシュ状に編み込んだものであり、多数の開口を有し、また、編み込み形態により種々なメッシュ形態を得ることができる。筒状電極１２の外周壁はメッシュ形状でなくても閉じた形状でも成膜用プラズマ１８を発生させることができる。

筒状電極１２は、参考例として図４で示すように相互に分離していても、直流電源１６から同一の負電圧が印加させることにより、それぞれの筒状電極１２内部に成膜用プラズマ１８を発生させることができる。筒状電極１２は図５に示すように断面円形となし真空チャンバ２内部に多数配置してもよいし、図６に示すように断面正六角形となし真空チャンバ内部に多数配置してもよい。

図７および図８は本出願人が製作した実際の成膜装置において筒状電極１２内部に発生している成膜用プラズマ１８の撮影写真を示す。図７は円筒形の真空チャンバ２内部に２個の筒状電極１２を配置し、それぞれの筒状電極１２内部に成膜用プラズマ１８を発生した状態を撮影した写真であり、図８は同真空チャンバ２内部に１個の筒状電極１２を配置し、その筒状電極１２内部に成膜用プラズマ１８を発生した状態を撮影した写真で示す。１５は筒状電極１２を真空チャンバ２内で保持するための電極である。図７では２個の筒状電極１２を両側から２つの保持電極１５で保持しており、図８では１個の筒状電極１２を片側から１つの保持電極１５で保持している。

これらの写真では、筒状電極１２の外部に成膜用プラズマ１８は発生しておらず、筒状電極１２の内部に成膜用プラズマ１８が高密度に発生していることが示されている。この筒状電極１２はこの写真で示す平面に垂直方向に長い円筒形をなしている。

また、筒状電極１２は個数が１つでも複数でも成膜用プラズマ１８を高密度に励起発生させることができるが、実施の形態ではこのような筒状電極１２を２つ以上配置したものである。すなわち、筒状電極１２の個数とは無関係にそれぞれの筒状電極１２内に高密度に成膜用プラズマ１８を発生させることが可能となったことにより、これら筒状電極１２内に導体ワイヤを挿入することにより当該導体ワイヤの表面全周に炭素膜を成膜することができる。

本出願人が上記実験で確認したところ、成膜用プラズマ１８は筒状電極１２の長手方向どの位置においても高密度で長手方向全体にわたりほぼ均等に発生しており、この筒状電極１２内の成膜用プラズマ１８中に導体ワイヤ１４を配置しその表面に炭素膜を成膜した場合、その炭素膜を導体ワイヤ１４の長手方向全体にかけて均一膜厚で成膜することができた。

この炭素膜の種類は特に限定しないが、本出願人による成膜条件を種々に変更した場合、グラフェンシート円筒体が単層または多層になったカーボンナノチューブ、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からなるカーボンナノウォール、任意の位置から先端に向かうにつれて外径が小さくなる形状の針状炭素膜に成膜することができる。

なお、上記成膜操作は、真空チャンバ２の内圧を排気制御弁８を開けて真空排気系１０により真空状態に減圧し、次いで、排気制御弁８の開度を小さくして真空チャンバ２内の排気速度を下げ、真空チャンバ２に調節回路６の調節の下にガスボンべ４から炭素膜成膜用のガスを導入して所定の圧力に調節した後、筒状電極１２に直流電源１６を印加すると、成膜用プラズマ１８が高密度に発生して炭化水素ガスが分解される結果、導体ワイヤ１４の表面に炭素膜が成膜される。

図９に上記成膜用プラズマ１８で炭素膜が表面に成膜されたワイヤ状陰極を用いたフィールドエミッションランプ２０を示す。このフィールドエミッションランプ２０は、陽極管２２内面に蛍光体２４付きの陽極２６を設け、陽極管２２の管中央長手方向にワイヤ状陰極２８を空中架設したものである。このワイヤ状陰極２８は、上記導体ワイヤ２４の表面に炭素膜３０が成膜されたものである。このワイヤ状陰極２８と陽極２６との間に図示略の直流電源から電圧を印加することにより、ワイヤ状陰極２８の表面の炭素膜３０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２４に衝突し、該蛍光体２４は励起発光して光がフィールドエミッションランプ２０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２０ではワイヤ状陰極２８の表面に炭素膜３０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２０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プラズマ発生装置が適用される成膜装置の概略構成を示す図である。 図２は、図１の成膜装置の装置内部で並設されている筒状電極の斜視図である。 図３は、図２の筒状電極の断面構成を示す図である。 図４は、参考例として、筒状電極が分離して配置されている例を示す図である。 図５は、断面円形の筒状電極が並設されている例を示す図である。 図６は、断面六角形の筒状電極が並設されている例を示す図である。 図７は、本出願人の製作に係る成膜装置で筒状電極にプラズマが発生している状態を示す写真である。 図８は、本出願人の製作に係る成膜装置で筒状電極にプラズマが発生している状態を示す別の写真である。 図９は実施の形態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を示す図である。

符号の説明

２ 真空チャンバ
１２ 筒状電極
１４ 導体ワイヤ（成膜対象物）
１８ プラズマ

Claims (1)

1. プラズマＣＶＤ装置における真空チャンバ内に成膜用ガスを導入してプラズマＣＶＤにより成膜対象物の表面に成膜するためにプラズマを発生するプラズマ発生装置であって、
   上記真空チャンバの内壁を接地電位に設定し、上記真空チャンバ内に、金属製メッシュから構成され、接地電位に対して負電位の直流電圧の印加により内部にプラズマを発生させる筒状電極を複数個並設し、
   上記筒状電極の複数個を、互いの外周面が接触した状態で配置したことを特徴とするプラズマ発生装置。