JP6573276B2 - Thin film generator using magnetized coaxial plasma generator - Google Patents
Thin film generator using magnetized coaxial plasma generator Download PDFInfo
- Publication number
- JP6573276B2 JP6573276B2 JP2015182857A JP2015182857A JP6573276B2 JP 6573276 B2 JP6573276 B2 JP 6573276B2 JP 2015182857 A JP2015182857 A JP 2015182857A JP 2015182857 A JP2015182857 A JP 2015182857A JP 6573276 B2 JP6573276 B2 JP 6573276B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thin film
- generator
- plasma
- electrode
- magnetized coaxial
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Description
本発明は磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置に関し、特に、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）の薄膜を生成可能な薄膜生成装置に関する。 The present invention relates to a thin film generating apparatus using a magnetized coaxial plasma generating apparatus, and more particularly to a thin film generating apparatus capable of generating a DLC (diamond-like carbon) thin film.
磁化同軸プラズマ生成装置を用いて金属薄膜生成を行う技術としては、例えば本願発明者の一人が発明者に含まれる特許文献１がある。特許文献１では、磁化同軸プラズマ生成装置を用いて、ここから放出されるプラズマ塊を真空チャンバ内へ放出し、基板上の塗布膜に照射する。塗布膜は、膜生成材料の粉末を分散させた溶媒を塗布し、乾燥させることで形成されたものである。プラズマ塊を照射された塗布膜は、膜生成材料がイオン化又は活性化され、基板に強固な膜を形成する。また、同じく本願発明者の一人が発明者に含まれる特許文献２では、磁化同軸プラズマ生成装置の電源回路が連続パルス信号を印加できるように構成されており、連続パルスのデューティ比を変化させることで、内部導体を削るようにしてプラズマ生成ガスに金属を混入させることも可能なことが開示されている。さらに、同じく本願発明者の一人が発明者に含まれる特許文献３では、磁化同軸プラズマ生成装置の内部導体を、生成すべき合金薄膜の原料となる各種金属からそれぞれ形成される複数の金属片を選択可能に組み合わせて棒状に構成することで、合金薄膜を生成可能な装置が開示されている。 As a technique for generating a metal thin film using a magnetized coaxial plasma generator, for example, there is Patent Document 1 in which one of the inventors of the present application is included in the inventor. In Patent Document 1, a magnetized coaxial plasma generator is used to discharge a plasma mass emitted therefrom into a vacuum chamber and irradiate a coating film on a substrate. The coating film is formed by applying a solvent in which powder of the film forming material is dispersed and drying. In the coating film irradiated with the plasma lump, the film generating material is ionized or activated to form a strong film on the substrate. Similarly, in Patent Document 2 in which one of the inventors of the present application is included in the inventor, the power supply circuit of the magnetized coaxial plasma generator is configured to be able to apply a continuous pulse signal, and the duty ratio of the continuous pulse is changed. Thus, it is disclosed that a metal can be mixed into the plasma generation gas so as to cut the inner conductor. Furthermore, in Patent Document 3 in which one of the inventors of the present application is also included in the inventor, the inner conductor of the magnetized coaxial plasma generator is formed of a plurality of pieces of metal formed from various metals that are raw materials for the alloy thin film to be generated. An apparatus capable of producing an alloy thin film by combining it so as to be selectable and forming a rod shape is disclosed.
ところで、これらの従来技術では、何れも金属薄膜を生成するものであった。即ち、何れの従来技術も、磁化同軸プラズマ生成装置の外部導体と内部導体との間に放電電圧を印加し、外部導体と内部導体との間に放電を発生させ、放電電流が流れてプラズマが生成されるものであるため、内部導体は当然にある程度高い導電性を有するものでなければならないものであった。 By the way, in these prior arts, all produced | generated the metal thin film. That is, in each of the conventional techniques, a discharge voltage is applied between the outer conductor and the inner conductor of the magnetized coaxial plasma generating apparatus, a discharge is generated between the outer conductor and the inner conductor, and a discharge current flows to generate plasma. As a matter of course, the inner conductor has to have a certain degree of high conductivity.
一方、近来ではＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）の薄膜が、様々な機能性を有することから多岐に応用されている。ＤＬＣ薄膜は、高硬度、高耐摩耗性、低摩擦係数、高絶縁性、高化学安定性、高ガスバリヤ性、高耐焼付き性、高生体親和性、高赤外線透過性等の特徴を有し、表面が平坦で２００度程度の低温で合成できることから、電気・電子機器や切削工具、金型、自動車部品、光学部品、ＰＥＴボトルの酸素バリヤ膜、衛生機器、レンズ・窓、装飾品等、幅広く応用され始めている。 On the other hand, DLC (diamond-like carbon) thin films have recently been applied in various ways because of their various functions. The DLC thin film has features such as high hardness, high wear resistance, low friction coefficient, high insulation, high chemical stability, high gas barrier properties, high seizure resistance, high biocompatibility, high infrared transmittance, etc. Since the surface is flat and can be synthesized at a low temperature of about 200 degrees, it can be used in a wide variety of applications such as electrical / electronic equipment, cutting tools, molds, automotive parts, optical parts, PET bottle oxygen barrier films, sanitary equipment, lenses / windows, and ornaments It is starting to be applied.
ＤＬＣのプラズマ成膜装置としては、例えば特許文献４がある。特許文献４は、円筒状の電極と中空棒状の電極を同軸に配置し、中空棒状の電極に設けられたガス噴出孔から水素ガスを希釈ガスとした原料である炭化水素ガスを噴出させ、両電極に電力を供給して炭化水素ガスをプラズマ化することでＤＬＣ薄膜を生成するものが開示されている。 As a DLC plasma film forming apparatus, there is, for example, Patent Document 4. In Patent Document 4, a cylindrical electrode and a hollow rod-shaped electrode are arranged coaxially, and hydrocarbon gas, which is a raw material using hydrogen gas as a diluent gas, is ejected from a gas ejection hole provided in the hollow rod-shaped electrode. An apparatus is disclosed in which a DLC thin film is generated by supplying electric power to an electrode to convert hydrocarbon gas into plasma.
ＤＬＣ薄膜は、その成膜方法により異なった結晶構造と機能を発現することが知られている。その性能（硬度）は、主に薄膜を生成する基板等への炭素の衝突エネルギと薄膜の水素含有量に依存する。即ち、水素含有量が高いと硬度が低くなってしまう等の問題があった。従来技術では、炭化水素ガスを原料に用いるため必ず水素が混入する。そして、水素含有量の制御が困難であったため、生成されるＤＬＣ薄膜の硬度の制御が難しかった。さらに、基板に入射するイオンのエネルギが、プラズマの温度に依存することから、イオンの入射エネルギとプラズマ温度を独立に制御することも難しかった。 DLC thin films are known to exhibit different crystal structures and functions depending on the film formation method. The performance (hardness) mainly depends on the collision energy of carbon to the substrate or the like on which the thin film is formed and the hydrogen content of the thin film. That is, there is a problem that the hardness decreases when the hydrogen content is high. In the prior art, hydrogen is always mixed because hydrocarbon gas is used as a raw material. And since control of hydrogen content was difficult, control of the hardness of the produced | generated DLC thin film was difficult. Furthermore, since the energy of ions incident on the substrate depends on the temperature of the plasma, it is difficult to control the incident energy of ions and the plasma temperature independently.
また、金属薄膜の原料となる金属を内部導体として用いている従来技術では、内部導体としては導電性を有するものを用いる必要があり、ＤＬＣの原料となる炭素系の材料をそのまま用いることはできなかった。 Moreover, in the prior art using the metal which is the raw material of the metal thin film as the inner conductor, it is necessary to use a conductive material as the inner conductor, and the carbon-based material which is the raw material of DLC can be used as it is. There wasn't.
本発明は、斯かる実情に鑑み、水素含有量を独立に制御可能であるため生成されるＤＬＣ薄膜の硬度の制御性も良く、高エネルギイオンを低熱負荷下で生成可能であるため成膜対象物が熱に弱いものであっても基板上にＤＬＣ薄膜を生成可能な磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置を提供しようとするものである。 In view of such circumstances, the present invention is capable of independently controlling the hydrogen content, and thus has good controllability of the hardness of the generated DLC thin film, and can generate high-energy ions under a low heat load. An object of the present invention is to provide a thin film generation apparatus using a magnetized coaxial plasma generation apparatus capable of generating a DLC thin film on a substrate even if the object is weak against heat.
上述した本発明の目的を達成するために、本発明による磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置は、筒状の外部電極と、外部電極の内部に同軸状に配置される円柱形状のグラファイトからなる内部電極と、外部電極と内部電極との間にプラズマ生成ガスをパルス状に供給するプラズマ生成ガス供給部と、外部電極と内部電極との間に、絶縁破壊を促進するために実効的な電極間距離を伸ばすための垂直磁界を与えるための垂直磁界発生部と、外部電極と内部電極との間に放電電圧を印加する電源回路と、を具備するものである In order to achieve the above-described object of the present invention, a thin film generation apparatus using a magnetized coaxial plasma generation apparatus according to the present invention comprises a cylindrical external electrode and a columnar graphite arranged coaxially inside the external electrode. Effective to promote dielectric breakdown between the external electrode and the internal electrode, and the internal electrode, the plasma generation gas supply unit that supplies the plasma generated gas in a pulsed manner between the external electrode and the internal electrode A vertical magnetic field generator for applying a vertical magnetic field for extending the distance between the electrodes, and a power supply circuit for applying a discharge voltage between the external electrode and the internal electrode.
ここで、内部電極は、グラファイトが中心孔を有し、該中心孔に配置される中心導体を有するものであっても良い。 Here, the internal electrode may be one in which graphite has a central hole and a central conductor disposed in the central hole.
また、内部電極の中心導体は、プラズマが放出される側の先端が、グラファイトから露出するものであっても良い。 Further, the center conductor of the internal electrode may be such that the tip from which plasma is emitted is exposed from the graphite.
また、内部電極の中心導体は、プラズマが放出される側の先端が、中心孔に配置される円筒部の径よりも大きい頭部を有するものであっても良い。 Further, the central conductor of the internal electrode may have a head whose tip on the side from which plasma is emitted has a larger head than the diameter of the cylindrical portion disposed in the central hole.
また、内部電極の中心導体は、プラズマが溶出される側と反対側のベース部にグラファイトと共締めされるものであっても良い。 Further, the central conductor of the internal electrode may be fastened together with graphite on the base portion opposite to the side from which plasma is eluted.
また、プラズマ生成ガス供給部は、供給するプラズマ生成ガスの水素含有量を制御可能であっても良い。 The plasma generation gas supply unit may be capable of controlling the hydrogen content of the plasma generation gas to be supplied.
また、プラズマ生成ガス供給部は、生成される薄膜が厚み方向で硬度が変化するように、供給するプラズマ生成ガスの水素含有量を制御可能であっても良い。 In addition, the plasma generation gas supply unit may be capable of controlling the hydrogen content of the plasma generation gas to be supplied so that the hardness of the generated thin film changes in the thickness direction.
本発明の磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置には、水素含有量を独立に制御可能であるため生成されるＤＬＣ薄膜の硬度の制御性も良く、高エネルギイオンを低熱負荷下で生成可能であるため成膜対象物が熱に弱いものであっても基板上にＤＬＣ薄膜を生成可能であるという利点がある。 The thin film generator using the magnetized coaxial plasma generator of the present invention can control the hydrogen content independently, so the control of the hardness of the generated DLC thin film is good, and high energy ions can be generated under a low thermal load. Therefore, there is an advantage that a DLC thin film can be formed on the substrate even if the film formation target is weak against heat.
以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置を説明するための長手方向の概略断面図である。図示の通り、本発明の磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置は、外部電極１０と、内部電極２０と、プラズマ生成ガス供給部３０と、垂直磁界発生部４０と、電源回路５０とから主に構成されている。そして、発生したプラズマを成膜対象物１に衝突させることで、成膜対象物１上にＤＬＣ薄膜等の炭素膜を生成することが可能なものである。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described together with illustrated examples. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view in the longitudinal direction for explaining a thin film generator using the magnetized coaxial plasma generator of the present invention. As shown in the figure, the thin film generator using the magnetized coaxial plasma generator of the present invention includes an external electrode 10, an internal electrode 20, a plasma generation gas supply unit 30, a vertical magnetic field generation unit 40, and a power supply circuit 50. It is configured. A carbon film such as a DLC thin film can be generated on the film formation target 1 by causing the generated plasma to collide with the film formation target 1.
外部電極１０は筒状である。具体的には、外部電極１０は、円筒形状の電極からなるものである。外部電極１０は、例えば、ステンレス鋼等により構成されれば良い。 The external electrode 10 is cylindrical. Specifically, the external electrode 10 is made of a cylindrical electrode. The external electrode 10 may be made of, for example, stainless steel.
内部電極２０は、外部電極１０の内部に同軸状に配置されている。内部電極２０は、円柱形状である。ここで、内部電極２０は、本発明ではグラファイトからなるものである。グラファイトとは、石墨とも呼ばれ炭素からなる元素鉱物である。グラファイトは、導電率が１３７５×１０−６Ωｃｍであり、高バイアス磁場をかけることで放電可能な程度の導電率を有している。グラファイトを内部電極２０として用いることで、後述する原理によりグラファイト電極表面が削り取られてＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）の薄膜が生成できる。ここで、ＤＬＣとは、ダイヤモンドとグラファイトの中間的な結晶構造、即ち、ダイヤモンドのｓｐ３結合とグラファイトのｓｐ２結合の両者を炭素原子の骨格構造としたアモルファス炭素膜である。ＤＬＣは、例えば１０００ＨＶから５０００ＨＶ程度の硬度のものを一般的にはいう。しかしながら、本発明では、後述のように、用途に応じて例えば硬度を４００ＨＶ等、低硬度から高硬度まで任意に制御可能である。即ち、一般的にはＤＬＣと呼ばれる程度の硬度を有していない薄膜であっても生成可能である。なお、内部電極２０であるグラファイトを固定するベース部１５は、例えばステンレス鋼等により構成されれば良い。そして、例えば、ベース部１５にねじ穴が開いており、プラズマが放出される側と反対側の内部電極２０の根元側にねじ山が切られており、内部電極２０がベース部１５にねじ込まれて固定されれば良い。 The internal electrode 20 is coaxially disposed inside the external electrode 10. The internal electrode 20 has a cylindrical shape. Here, the internal electrode 20 is made of graphite in the present invention. Graphite is an elemental mineral made of carbon, also called graphite. Graphite has a conductivity of 1375 × 10 −6 Ωcm and has a conductivity that can be discharged by applying a high bias magnetic field. By using graphite as the internal electrode 20, the surface of the graphite electrode is scraped off according to the principle described later, and a DLC (diamond-like carbon) thin film can be generated. Here, the DLC is an amorphous carbon film having an intermediate crystal structure of diamond and graphite, that is, an skeleton structure of carbon atoms in which both sp 3 bonds of diamond and sp 2 bonds of graphite are formed. For example, DLC generally has a hardness of about 1000 HV to 5000 HV. However, in the present invention, as will be described later, the hardness can be arbitrarily controlled from a low hardness to a high hardness, such as 400 HV, depending on the application. That is, even a thin film that does not have a hardness generally called DLC can be produced. In addition, the base part 15 which fixes the graphite which is the internal electrode 20 should just be comprised, for example with stainless steel. For example, a screw hole is opened in the base portion 15, and a thread is cut on the base side of the internal electrode 20 on the side opposite to the side from which plasma is emitted, so that the internal electrode 20 is screwed into the base portion 15. To be fixed.
ここで、外部電極１０と内部電極２０は、一端が絶縁部材１２により絶縁されそれらの配置位置が固定されており、他端がここからプラズマが放出されるように開放端となっている。絶縁部材１２は、例えばセラミック等であれば良い。 Here, one end of each of the external electrode 10 and the internal electrode 20 is insulated by the insulating member 12 and the arrangement position thereof is fixed, and the other end is an open end so that plasma is emitted therefrom. The insulating member 12 may be a ceramic, for example.
プラズマ生成ガス供給部３０は、外部電極１０と内部電極２０との間にプラズマ生成ガスをパルス状に供給するように構成されている。具体的には、外部電極１０にガス供給口が設けられており、ガス供給口に例えば電磁弁が設けられ、電磁弁を開閉することにより所定のプラズマ生成ガス、例えばヘリウムガスやアルゴンガス等をパルス状に供給すれば良い。本発明の磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置では、炭化水素ガス等、水素含有ガスをプラズマ生成に用いる必要はない。なお、図示例では、上下２つのガス供給口が設けられている例を示した。プラズマ生成ガスをパルス状に供給可能に構成したことで、プラズマ生成ガスの分布制御による放電開始時間や放電開始箇所の制御が可能となる。特に、本発明のようにグラファイトを内部電極２０として用いる場合には、プラズマ生成ガスの制御が重要となる。具体的には、パッシェン則における最小の放電開始電圧となるように電極間の圧力を制御すれば良い。また、残留したプラズマ生成ガスによる炭素イオンの熱中性化を抑制する効果もある。熱化を抑制することで、成膜対象物に負電圧をかけなくても成膜が可能となり、また中性化を抑制することで、成膜対象物に負電圧をかける効果が増加する。また、後述のように、生成される薄膜の厚み方向で硬度が変化するように供給するプラズマ生成ガスの水素含有量を制御する場合にも、パルス毎に水素含有量を制御することが可能となる。 The plasma generation gas supply unit 30 is configured to supply a plasma generation gas in a pulsed manner between the external electrode 10 and the internal electrode 20. Specifically, the external electrode 10 is provided with a gas supply port. The gas supply port is provided with, for example, an electromagnetic valve. By opening and closing the electromagnetic valve, a predetermined plasma generation gas such as helium gas or argon gas is supplied. What is necessary is just to supply in a pulse form. In the thin film generator using the magnetized coaxial plasma generator of the present invention, it is not necessary to use a hydrogen-containing gas such as a hydrocarbon gas for plasma generation. In the illustrated example, an example in which two upper and lower gas supply ports are provided is shown. Since the plasma generation gas can be supplied in the form of pulses, the discharge start time and the discharge start location can be controlled by controlling the distribution of the plasma generation gas. In particular, when graphite is used as the internal electrode 20 as in the present invention, control of the plasma generation gas is important. Specifically, the pressure between the electrodes may be controlled so as to be the minimum discharge start voltage in the Paschen's law. In addition, there is an effect of suppressing the thermal neutralization of carbon ions by the remaining plasma generation gas. By suppressing thermalization, it is possible to form a film without applying a negative voltage to the film formation target, and by suppressing neutralization, the effect of applying a negative voltage to the film formation target increases. Also, as will be described later, even when controlling the hydrogen content of the plasma generation gas supplied so that the hardness changes in the thickness direction of the thin film to be generated, it is possible to control the hydrogen content for each pulse. Become.
また、垂直磁界発生部４０は、外部電極１０と内部電極２０との間に、絶縁破壊を促進するために実効的な電極間距離を伸ばすための垂直磁界を与えるものである。具体的には、コイルからなるものである。図示例では外部電極１０の外周を囲むように巻回されたコイルが２段配置された例を示した。外部電極１０と内部電極２０の間に放電電圧を印加する電源回路５０（後述）により与えられる電位差によって、電極間に存在するプラズマ生成ガスに絶縁破壊が生じて電子が放出され、放電電流が生じることでプラズマが生成される。ここで、低圧下においてプラズマを生成するには、パッシェン曲線の極小値よりも圧力×電極間距離の小さい領域では、印加電圧又は電極間距離が十分大きい必要がある。垂直磁界発生部４０により垂直磁界を与えることで、外部電極１０と内部電極２０の間で、電子が内部電極２０の外周を回りながら外部電極１０に到達することになる。これにより、電極間の直線距離よりも電子が飛ぶ実効的な電極間距離が伸びることになる。したがって、絶縁破壊が促進され、導電率が低いグラファイトからなる内部電極２０であっても十分なプラズマが放電可能となる。また、垂直磁界発生部４０は、外部電極１０と内部電極２０の間に発生したプラズマに対して、バイアス磁場も印加することになる。これにより、プラズマが放電電流による磁場とバイアス磁場を含んだ状態で放出されるので、スフェロマック様の磁場構造を持った、孤立した磁化プラズモイドが生成され、磁界によりフィルタされる。 Further, the vertical magnetic field generator 40 provides a vertical magnetic field between the external electrode 10 and the internal electrode 20 for extending an effective inter-electrode distance in order to promote dielectric breakdown. Specifically, it consists of a coil. In the illustrated example, an example is shown in which coils wound around the outer periphery of the external electrode 10 are arranged in two stages. Due to a potential difference applied by a power supply circuit 50 (described later) that applies a discharge voltage between the external electrode 10 and the internal electrode 20, dielectric breakdown occurs in the plasma generation gas existing between the electrodes, and electrons are emitted, resulting in a discharge current. As a result, plasma is generated. Here, in order to generate plasma under a low pressure, the applied voltage or the distance between the electrodes needs to be sufficiently large in a region where the pressure × the distance between the electrodes is smaller than the minimum value of the Paschen curve. By applying a vertical magnetic field by the vertical magnetic field generator 40, electrons reach the external electrode 10 between the external electrode 10 and the internal electrode 20 while rotating around the outer periphery of the internal electrode 20. As a result, the effective inter-electrode distance by which electrons fly is larger than the linear distance between the electrodes. Therefore, dielectric breakdown is promoted and sufficient plasma can be discharged even with the internal electrode 20 made of graphite having low conductivity. The vertical magnetic field generator 40 also applies a bias magnetic field to the plasma generated between the external electrode 10 and the internal electrode 20. Thereby, since the plasma is emitted in a state including a magnetic field due to the discharge current and a bias magnetic field, an isolated magnetized plasmoid having a spheromak-like magnetic field structure is generated and filtered by the magnetic field.
電源回路５０は、外部電極１０と内部電極２０との間に放電電圧を印加するものである。これは、外部電極１０と内部電極２０との間に、例えば準直流電圧を印加し準直流放電させるものである。電源回路５０は、例えばトランスとコンデンサを組み合わせたトランス結合放電回路等を用いれば良い。トランス結合放電回路を用いることで、トランスの１次回路と２次回路のオンオフタイミングを調整することにより、交流電流から同一極性の電流を得ることが可能となり、準直流放電と呼ばれる放電電流が得られる。また、上述の特許文献２に開示のような、連続パルス信号を印加できるような電源回路を用いても良い。連続パルス信号のデューティ比を変化させることで、内部電極２０であるグラファイトの混入量を制御することも可能である。 The power supply circuit 50 applies a discharge voltage between the external electrode 10 and the internal electrode 20. In this method, for example, a quasi-DC voltage is applied between the external electrode 10 and the internal electrode 20 to cause quasi-DC discharge. As the power supply circuit 50, for example, a transformer coupled discharge circuit combining a transformer and a capacitor may be used. By using the transformer coupled discharge circuit, it is possible to obtain a current of the same polarity from the AC current by adjusting the on / off timing of the primary circuit and the secondary circuit of the transformer, and a discharge current called a quasi-DC discharge is obtained. It is done. Moreover, you may use the power supply circuit which can apply a continuous pulse signal like the above-mentioned patent document 2. By changing the duty ratio of the continuous pulse signal, it is also possible to control the mixing amount of graphite as the internal electrode 20.
このように構成された本発明の磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置の成膜過程について、具体的に説明する。まず、プラズマ生成ガス供給部３０からプラズマ生成ガスである、例えばアルゴンガスを外部電極１０と内部電極２０との間に供給する。また、垂直磁界発生部４０を用いて外部電極１０と内部電極２０との間に垂直磁界を与える。これにより外部電極１０と内部電極２０の間で、電子が内部電極２０の外周を回りながら外部電極１０に到達することになり、実効的な電極間距離が伸びて絶縁破壊が促進され、プラズマが放電される。そして、電源回路５０により外部電極１０と内部電極２０との間に放電電圧を印加することで、放電させてプラズマを生成する。この放電に伴い、プラズマ中には径方向の電流が流れる。また、プラズマには、内部電極２０の電流によりトロイダル磁場が生ずる。この放電の際に、グラファイトからなる内部電極２０の表面が削り取られ、プラズマに混入する。そして、プラズマ中の径方向の電流とトロイダル方向の磁場によるローレンツ力により、バイアス磁場を引きずりながら内部電極２０の軸方向に加速される。さらに、磁気再結合により、磁化同軸プラズマ生成装置の先端側でのバイアス磁場がポロイダル磁場となり、スフェロマックプラズマが外部電極１０と内部電極２０の開放端から放出される。スフェロマックプラズマは、すぐには拡散することなく、プラズマ塊の状態のまま高速に放出される。スフェロマックプラズマには、内部電極２０の表面が削り取られたグラファイト粒子（炭素イオン）が含まれているため、スフェロマックプラズマを成膜対象物１に衝突させることで、成膜対象物１上にグラファイト粒子が堆積する。なお、内部電極から溶発したマクロ粒子は、電荷をもたないため電磁加速を受けず、成膜には寄与しない。このプラズマ放電を複数回繰り返し行うことで、所望の膜厚になるまで成膜対象物１上にグラファイト粒子を堆積させていき、所望のＤＬＣ薄膜を得ることが可能となる。 The film forming process of the thin film generating apparatus using the magnetized coaxial plasma generating apparatus of the present invention configured as described above will be specifically described. First, for example, argon gas which is a plasma generation gas is supplied between the external electrode 10 and the internal electrode 20 from the plasma generation gas supply unit 30. A vertical magnetic field generator 40 is used to apply a vertical magnetic field between the external electrode 10 and the internal electrode 20. As a result, electrons reach the external electrode 10 between the external electrode 10 and the internal electrode 20 while rotating around the outer periphery of the internal electrode 20, the effective inter-electrode distance is extended, the dielectric breakdown is promoted, and the plasma is generated. Discharged. Then, by applying a discharge voltage between the external electrode 10 and the internal electrode 20 by the power supply circuit 50, it is discharged and plasma is generated. Along with this discharge, a radial current flows in the plasma. In addition, a toroidal magnetic field is generated in the plasma by the current of the internal electrode 20. During this discharge, the surface of the internal electrode 20 made of graphite is scraped and mixed into the plasma. The plasma is accelerated in the axial direction of the internal electrode 20 by dragging the bias magnetic field by the Lorentz force generated by the radial current in the plasma and the magnetic field in the toroidal direction. Further, due to magnetic recombination, the bias magnetic field on the tip side of the magnetized coaxial plasma generator becomes a poloidal magnetic field, and spheromak plasma is emitted from the open ends of the external electrode 10 and the internal electrode 20. Spheromak plasma does not diffuse immediately, but is released at high speed in the form of a plasma mass. Since the spheromak plasma contains graphite particles (carbon ions) from which the surface of the internal electrode 20 has been scraped off, the spheromak plasma collides with the film formation target 1 so that the graphite particles are formed on the film formation target 1. Accumulates. Note that macroparticles ablated from the internal electrode do not have an electric charge and thus are not subjected to electromagnetic acceleration and do not contribute to film formation. By repeating this plasma discharge a plurality of times, graphite particles are deposited on the film formation target 1 until a desired film thickness is obtained, and a desired DLC thin film can be obtained.
成膜対象物１については、例えば真空チャンバ６０内に配置されれば良い。真空チャンバ６０は、同軸磁化プラズマ生成装置に接続されるものであり、上述のように外部電極１０と内部電極２０の開放端から放出されたプラズマを受けるものである。具体的には、真空チャンバ６０は、絶縁体６１を介して外部電極１０の開放端に接続されており、放出されたプラズマが真空チャンバ６０内に導入される。 The film formation target 1 may be disposed in the vacuum chamber 60, for example. The vacuum chamber 60 is connected to the coaxial magnetized plasma generator and receives the plasma emitted from the open ends of the external electrode 10 and the internal electrode 20 as described above. Specifically, the vacuum chamber 60 is connected to the open end of the external electrode 10 through the insulator 61, and the emitted plasma is introduced into the vacuum chamber 60.
ステージ７０は、内部電極２０の軸方向に垂直に成膜対象物１を生成する面を対向させるように、真空チャンバ６０内に固定されるものである。ステージ７０は、図示例のように同軸磁化プラズマ生成装置から成膜対象物１までの間の距離を連続的に変化可能なように構成されていても良い。また、プラズマイオンをステージ７０側に引き込むように、ステージ７０を接地又は負電圧にしても良い。この場合、真空チャンバ６０とステージ７０は絶縁されれば良い。 The stage 70 is fixed in the vacuum chamber 60 so that the surface on which the film formation target 1 is generated is opposed to the axis direction of the internal electrode 20. The stage 70 may be configured such that the distance from the coaxial magnetized plasma generation apparatus to the film formation target 1 can be continuously changed as shown in the illustrated example. Further, the stage 70 may be grounded or negative voltage so as to draw plasma ions to the stage 70 side. In this case, the vacuum chamber 60 and the stage 70 may be insulated.
ここで、成膜対象物１としては、例えばシリコン基板やアルミニウム基板、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）等、種々のものが含まれる。本発明の磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置では、放電電流によるローレンツ力によって炭素イオンを加速し成膜対象物１に入射させるため、成膜対象物１の電位制御は必ずしも必要が無い。したがって、電位制御の困難な誘電体材料等にも成膜可能である。また、成膜対象物１に対する電位制御が不要であるため、例えばライン生産において個々に成膜対象物１に電位印加が困難な場合にも有利である。また、放出されるスフェロマックプラズマは低熱負荷であるため、成膜対象物が熱に弱いものであってもＤＬＣ薄膜を生成可能である。さらに、生成されるＤＬＣ薄膜は、衝突エネルギを上げることでより硬度が高くなるため、電位印加が可能であれば積極的に成膜対象物１に電位を印加し、衝突エネルギを大きくして硬度を高めることも可能である。 Here, the film formation target 1 includes various materials such as a silicon substrate, an aluminum substrate, and PET (polyethylene terephthalate). In the thin film production apparatus using the magnetized coaxial plasma production apparatus of the present invention, the carbon ions are accelerated by the Lorentz force caused by the discharge current and are incident on the film formation object 1, so that the potential control of the film formation object 1 is not necessarily required. Therefore, it is possible to form a film on a dielectric material or the like whose electric potential is difficult to control. Further, since potential control with respect to the film formation target 1 is unnecessary, it is advantageous when it is difficult to individually apply a potential to the film formation target 1 in line production, for example. In addition, since the spheromak plasma emitted has a low heat load, a DLC thin film can be generated even if the film formation target is sensitive to heat. Furthermore, since the generated DLC thin film has a higher hardness by increasing the collision energy, if a potential can be applied, a potential is positively applied to the film formation target 1 to increase the collision energy and increase the hardness. It is also possible to increase.
ここで、プラズマ生成ガス供給部３０は、ヘリウムガスやアルゴンガス等のプラズマ生成ガスを供給するものであるが、本発明の磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置では、任意にプラズマ生成ガスに水素を混入させることが可能である。したがって、生成されるＤＬＣ薄膜の硬度を制御するために、プラズマ生成ガス供給部３０は、供給するプラズマ生成ガスの水素含有量を制御可能に構成されても良い。即ち、所望な硬度のＤＬＣ薄膜となるように水素含有量をプラズマ生成ガス供給部３０にて制御すれば良い。 Here, the plasma generation gas supply unit 30 supplies a plasma generation gas such as helium gas or argon gas. However, in the thin film generation apparatus using the magnetized coaxial plasma generation apparatus of the present invention, the plasma generation gas can be arbitrarily used. Hydrogen can be mixed. Therefore, in order to control the hardness of the generated DLC thin film, the plasma generation gas supply unit 30 may be configured to be able to control the hydrogen content of the supplied plasma generation gas. That is, the hydrogen content may be controlled by the plasma generation gas supply unit 30 so as to obtain a DLC thin film having a desired hardness.
さらに、プラズマ生成ガス供給部３０は、生成される薄膜が厚み方向で硬度が変化するように、供給するプラズマ生成ガスの水素含有量を制御可能に構成されても良い。即ち、時間的にプラズマ生成ガスの水素濃度を変化させることで、生成されるＤＬＣ薄膜の硬度が厚み方向で変化する機能的な薄膜を生成することも可能となる。これは、例えばＤＬＣ薄膜を生成する成膜対象物１が軟質なものの場合、成膜対象物１に接する側の薄膜は硬度を低くすることで軟質材から剥離しづらくすると共に、厚み方向で徐々に硬度を高くし、薄膜表面側はＤＬＣ薄膜として十分な機能を果たす程度の硬度とすることも可能である。 Furthermore, the plasma generation gas supply unit 30 may be configured to be able to control the hydrogen content of the plasma generation gas to be supplied so that the hardness of the generated thin film changes in the thickness direction. That is, by changing the hydrogen concentration of the plasma generation gas with time, it is possible to generate a functional thin film in which the hardness of the generated DLC thin film changes in the thickness direction. This is because, for example, when the film formation target 1 for generating the DLC thin film is soft, the thin film on the side in contact with the film formation target 1 is made difficult to peel from the soft material by reducing the hardness, and gradually in the thickness direction. It is also possible to increase the hardness of the thin film and to make the surface of the thin film sufficiently hard to function as a DLC thin film.
次に、本発明の磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置の内部電極について説明する。図１に示される例では、円柱形状のグラファイトからなるものを挙げた。本発明では、より放電しやすくするために、以下のように内部電極を構成しても良い。図２は、本発明の磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置の内部電極の他の例を説明するための長手方向の概略断面図であり、図２（ａ）及び図２（ｂ）は内部電極の変形例である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表している。図２（ａ）及び図２（ｂ）では、内部電極のみを示し、外部電極等、他の構成要素については図１と同様であれば良い。図２（ａ）及び図２（ｂ）に示される通り、内部電極２０は、中心孔２１を有するグラファイトからなる。そして、中心導体２２が、この中心孔２１に配置されている。中心導体２２は、グラファイトよりも導電率の高い物であれば良い。また、図示例では、内部電極２０の中心導体２２は、プラズマが溶出される側と反対側のベース部１５にグラファイトと共締めされる例を示した。 Next, the internal electrode of the thin film generator using the magnetized coaxial plasma generator of the present invention will be described. In the example shown in FIG. 1, the one made of columnar graphite is used. In the present invention, in order to facilitate discharge, the internal electrode may be configured as follows. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view in the longitudinal direction for explaining another example of the internal electrode of the thin film generation apparatus using the magnetized coaxial plasma generation apparatus of the present invention. FIG. 2 (a) and FIG. It is a modification of an internal electrode. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same parts. 2 (a) and 2 (b) show only internal electrodes, and other components such as external electrodes may be the same as those in FIG. As shown in FIGS. 2A and 2B, the internal electrode 20 is made of graphite having a central hole 21. A central conductor 22 is disposed in the central hole 21. The center conductor 22 only needs to have a higher conductivity than graphite. In the illustrated example, the center conductor 22 of the internal electrode 20 is shown as being fastened together with graphite on the base portion 15 on the side opposite to the side from which plasma is eluted.
また、図２（ａ）に示される例では、内部電極２０の中心導体２２は、プラズマが放出される側の先端が、グラファイトから露出したものを示した。しかしながら、本発明はこれに限定されず、先端部分がグラファイトで覆われていても良い。 Further, in the example shown in FIG. 2A, the center conductor 22 of the internal electrode 20 is one in which the tip on the side from which plasma is emitted is exposed from graphite. However, the present invention is not limited to this, and the tip portion may be covered with graphite.
さらに、図２（ｂ）に示される例では、内部電極２０の中心導体２２は、プラズマが放出される側の先端が、中心孔２１に配置される軸部２４の径よりも大きい頭部２５を有しているものを示した。即ち、中心導体２２が、軸部２４と頭部２５とからなるものである。 Further, in the example shown in FIG. 2B, the center conductor 22 of the internal electrode 20 has a head 25 whose tip on the side from which the plasma is emitted is larger than the diameter of the shaft portion 24 disposed in the center hole 21. It has shown what has. That is, the center conductor 22 is composed of the shaft portion 24 and the head portion 25.
本発明の磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置の内部電極をこのように構成することで、より低電力でプラズマを発生させることが可能となる。なお、中心導体の径やグラファイトの径は、外部電極との兼ね合いも含めプラズマが発生しやすいように適宜決定されれば良い。 By configuring the internal electrode of the thin film generator using the magnetized coaxial plasma generator of the present invention in this way, it becomes possible to generate plasma with lower power. Note that the diameter of the central conductor and the diameter of the graphite may be appropriately determined so that plasma is easily generated, including the balance with the external electrode.
次に、図３を用いて本発明の磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置をさらに具体的に説明する。図３は、本発明の磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置の具体例を説明するための長手方向の概略側面図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表している。図１の例では、内部電極２０の軸方向に垂直に配置された成膜対象物１にプラズマを衝突させてＤＬＣ薄膜を生成していた。これに対して、図３に示される例では、成膜対象物１が仰角方向に配置されている。そして、成膜対象物１は、磁化同軸プラズマ生成装置のプラズマが放出される側の先端方向に成膜面が向けられている。また、成膜対象物１の置かれるステージ７０に負電圧を与える。これにより、膜質を劣化させる電離していないマイクロパーティクル、即ち、ドロップレットを除去しつつ、炭素イオンのみを成膜対象物１に堆積させることが可能となる。このように成膜することにより、生成される薄膜の平滑性や均質性を高めることも可能である。 Next, the thin film production | generation apparatus using the magnetization coaxial plasma production | generation apparatus of this invention is demonstrated more concretely using FIG. FIG. 3 is a schematic side view in the longitudinal direction for explaining a specific example of a thin film production apparatus using the magnetized coaxial plasma production apparatus of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same parts. In the example of FIG. 1, the DLC thin film is generated by causing the plasma to collide with the film formation target 1 arranged perpendicular to the axial direction of the internal electrode 20. On the other hand, in the example shown in FIG. 3, the film formation target 1 is arranged in the elevation direction. The film formation target 1 has a film formation surface directed toward the tip of the magnetized coaxial plasma generating apparatus on the side from which the plasma is emitted. Further, a negative voltage is applied to the stage 70 on which the film formation target 1 is placed. Accordingly, it is possible to deposit only carbon ions on the film formation target 1 while removing the non-ionized microparticles that deteriorate the film quality, that is, the droplets. By forming the film in this way, it is possible to improve the smoothness and homogeneity of the produced thin film.
なお、本発明の磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 Note that the thin film generation apparatus using the magnetized coaxial plasma generation apparatus of the present invention is not limited to the illustrated example described above, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. .
１ 成膜対象物
１０ 外部電極
１２ 絶縁部材
１５ ベース部
２０ 内部電極
２１ 中心孔
２２ 中心導体
２４ 軸部
２５ 頭部
３０ プラズマ生成ガス供給部
４０ 垂直磁界発生部
５０ 電源回路
６０ 真空チャンバ
６１ 絶縁体
７０ ステージ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Deposition target object 10 External electrode 12 Insulating member 15 Base part 20 Internal electrode 21 Center hole 22 Center conductor 24 Shaft part 25 Head 30 Plasma generation gas supply part 40 Vertical magnetic field generation part 50 Power supply circuit 60 Vacuum chamber 61 Insulator 70 stage
Claims (7)
筒状の外部電極と、
前記外部電極の内部に同軸状に配置される円柱形状のグラファイトからなる内部電極と、
前記外部電極と前記内部電極との間にプラズマ生成ガスをパルス状に供給するプラズマ生成ガス供給部と、
前記外部電極と前記内部電極との間に、絶縁破壊を促進するために実効的な電極間距離を伸ばすための垂直磁界を与えるための垂直磁界発生部と、
前記外部電極と前記内部電極との間に放電電圧を印加する電源回路と、
を具備することを特徴とする磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置。 A thin film generator using a magnetized coaxial plasma generator, the thin film generator is
A cylindrical external electrode;
An internal electrode made of graphite having a columnar shape disposed coaxially inside the external electrode;
A plasma generating gas supply section for supplying a plasma generation gas in a pulsed manner between the inner electrode and the outer electrode,
Between the inner electrode and the outer electrode, and the vertical magnetic field generator for applying a vertical magnetic field to extend the effective distance between the electrodes in order to promote the breakdown,
A power supply circuit for applying a discharge voltage between the inner electrode and the outer electrode,
A thin film generator using a magnetized coaxial plasma generator characterized by comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015182857A JP6573276B2 (en) | 2015-09-16 | 2015-09-16 | Thin film generator using magnetized coaxial plasma generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015182857A JP6573276B2 (en) | 2015-09-16 | 2015-09-16 | Thin film generator using magnetized coaxial plasma generator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2017057454A JP2017057454A (en) | 2017-03-23 |
| JP6573276B2 true JP6573276B2 (en) | 2019-09-11 |
Family
ID=58391106
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2015182857A Active JP6573276B2 (en) | 2015-09-16 | 2015-09-16 | Thin film generator using magnetized coaxial plasma generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6573276B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7332169B2 (en) * | 2018-11-02 | 2023-08-23 | 学校法人日本大学 | Magnetized plasmoid injection device |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4769014B2 (en) * | 2005-04-28 | 2011-09-07 | 学校法人日本大学 | Coaxial magnetized plasma generator and film forming apparatus using coaxial magnetized plasma generator |
| JP5532720B2 (en) * | 2008-07-23 | 2014-06-25 | 学校法人日本大学 | Coaxial magnetized plasma generator |
| JP6031725B2 (en) * | 2012-09-06 | 2016-11-24 | 学校法人日本大学 | Alloy thin film generator |
| CA2917195C (en) * | 2013-07-02 | 2018-04-03 | Nihon University | Magnetized coaxial plasma generation device |
-
2015
- 2015-09-16 JP JP2015182857A patent/JP6573276B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2017057454A (en) | 2017-03-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10752994B2 (en) | Apparatus and method for depositing a coating on a substrate at atmospheric pressure | |
| US8387561B2 (en) | Method and apparatus for cathodic arc ion plasma deposition | |
| JP6101238B2 (en) | Coating apparatus for coating a substrate and method for coating a substrate | |
| Nakao et al. | DLC coating by HiPIMS: The influence of substrate bias voltage | |
| JP6625728B2 (en) | Plasma generator | |
| Coll et al. | Design of vacuum arc-based sources | |
| SE430293B (en) | PLASMA BAG GENERATOR, INCLUDING A CONSUMABLE CATHOD, A CYLINDRICAL ANOD AND A FOCUSING SOLENOID | |
| WO1999041425A1 (en) | Cathode arc vapor deposition | |
| EP2809468B1 (en) | Spark ablation device and method for generating nanoparticles | |
| KR102029474B1 (en) | Manufacturing method of metal nanopowder by wire explosion and apparatus for manufacturing the same | |
| Zhuang et al. | Circular periodic motion of plasma produced by a small-scale vacuum arc | |
| JP5871789B2 (en) | Method and beam generator for generating a constrained plasma beam | |
| JP2013049885A (en) | Method for forming carbon thin film | |
| JP6573276B2 (en) | Thin film generator using magnetized coaxial plasma generator | |
| JP2006510803A (en) | Vacuum arc source with magnetic field generator | |
| JP5154647B2 (en) | Cathode assembly for pulsed plasma generation | |
| JP6031725B2 (en) | Alloy thin film generator | |
| CN105704902A (en) | Combined magnetic confinement linear hollow cathode discharge device | |
| Shirafuji et al. | Generation of three-dimensionally integrated micro solution plasmas and its application to decomposition of organic contaminants in water | |
| CN107385397A (en) | A kind of intelligent arc source | |
| Zhukeshov et al. | The pulse plasma flows application in material science and nanotechnology | |
| CN112359330A (en) | Ion coating device with scanning coil | |
| Yu et al. | Influence of pulse steepness on vacuum flashover of casting epoxy resin | |
| Rawat | Dense Plasma Focus—High-Energy-Density Pulsed Plasma Device Based Novel Facility for Controlled Material Processing and Synthesis | |
| CN214142510U (en) | Ion coating device with scanning coil |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20180718 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20180718 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20190314 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20190508 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190514 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20190802 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20190807 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6573276 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |