JPH0361374A

JPH0361374A - 無機膜の形成方法及びその装置

Info

Publication number: JPH0361374A
Application number: JP1196765A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Hosoya; 郁雄細谷; Toshimichi Ito; 伊藤　利通
Original assignee: Idemitsu Petrochemical Co Ltd
Current assignee: Idemitsu Petrochemical Co Ltd
Priority date: 1989-07-31
Filing date: 1989-07-31
Publication date: 1991-03-18

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分！！７］本発明は、直流アークプラズマによってダイヤセント、
ファインセラミックスあるいはシリコン半導体等を成膜
する無機膜の形成方法とその装置に関し、特に、ダイヤ
モンドに好適な膜形成方法とその装置に関する。

［従来の技術］近年、タイヤセント、ファインセラミックスあるいはシ
リコン半４体等の無機材料を、プラズマを用いて成膜す
る方法か注目されている。

例えば、ダイヤモンドにあっては、低Ｆ［領域で気相か
ら薄膜状のダイヤセントを成膜する技術が種々開発され
、その実用化か期待されつつある。

しかし、従来の低圧気相タイヤモントｌ＆膜方法は、一
般に、■合成速度か遅い、■広面積のダイヤセントを得
られない、■プラズマを無理に拡大するため膜Ｎ万々か
不均一になるという問題かある。

上述した従来の低圧気相タイヤモント成１８ｉ法のうち
、比較的成膜速度の速い方法に、熱プラズマジェットを
利用した直流アークプラズマ法かある。しかし、この直
流アークプラズマ法によるダイヤモンド成膜法は、ダイ
ヤモンドの成膜速度は速いものの局所的（５〜ｌＯ＊ｍ
φ）にしか成膜か行なわれず、したがって、基板を動か
しても均一かつ広面積なダイヤモンドを得ることか難し
い。

また、プラズマの半径方向に非常に大きな温度勾配かあ
るため、温度制御か困難となり膜厚分布か均一にならな
いという問題かある。

これら直流アークプラズマ法の問題点を解決するため種
々研究かなされており、特開昭５４−２８２９７号及び
同６４１３０９６号によってその一例か開示されている
。このうち、特開昭６４−２８２９７号に記載の技術は
、アーク放電熱プラズマを複数のノズルから噴出させる
ことにより、広い面積にわたってダイヤモンドを生成し
ようとするものであり、また同６４−３３０９６号に記
載の技術は、アーク放電熱プラズマを超音速のプラズマ
ジェットとすることにより、高速度でダイヤモンドを生
成しようとするものである。

［解決すべき問題点］長連した特開昭６４−２８２９７号及び同６４−３３０
９６号は、それぞれダイヤモンド成膜の広面積化、高速
度化を図れるものの、膜厚分布の均一化、電極の消耗に
よる不均一化、寿命の点において問題か残っている。す
なわち、固定化した一定の箇所から噴出するプラズマを
、広い範囲に広げているのて、プラズマの拡大に無理か
生し、局所的に高温もしくは低温となることかあり、ダ
イヤモンドを均一の膜厚にＩＪｔ膜することかできなか
った。

また、プラズマの局在によって生しる電極の消耗による
寿命の低↑゛や不均一化、さらには、ノズルの複雑化を
まねくとともに、大型真空装置を準備する必要かあるな
ど設備上の問題かあった。

本発明は、上記問題点にかんがみてなされたもので、均
一の膜厚て広面積の無機膜、特にダイヤセントを高速度
で生成させることのできる無機膜形成方法と、この形成
方法を実施するための簡易な無機膜形成装置の提供を目
的とする。

なお、！ｉ気を用いてプラズマを往復連動させる技術に
ついても種々開示かなされており、先行の技術として、
例えば、特開昭５４−２４２４９号、同５６−１４７４
００号あるいは同６１−１２８５００号を挙げることか
てきる。

しかし、これら先行技術は、収集したプラズマ（フレー
ム〉を往復運動させたり、単一のアークノズルを往復Ｍ
動させることによって鋼片表面を溶融したり、溶鋼を加
熱したりするものであり、本発明の目的とするプラズマ
を広範囲に噴出させて無機膜を形成する技術についての
記載、特に、プラズマを往復運動させながら噴出するこ
とにより、均一膜厚て広面積のダイヤモンドを高速度で
生成する点についての指摘はなかった。

［問題点の解決手段］上記目的を達成するため、本発明の無ａ膜の形成方法は
、アーク放電を行なう陽極と陰極の間の線状（非環状）
間隙にガスを供給してプラズマを発生させるとともに、
このプラズマの発生する領域に交番磁界を形成し、プラ
ズマを上記線状間隙に沿って往復運動させながら噴出し
て基板上に無機膜を形成させる方法としである。

また１本発明の無機膜の形成装置は、所定の幅を１する
陽極と陰極をアーク放電可能な間隙をもって配置し形成
したアーク発生手段と、このアーク発生手段の上記間隙
にガスを供給して、プラズマを発生させるガス供給手段
と、」二組アーク発生手段の近傍に配置し、プラズマに
交互に反対方向の電磁力を作用させる交ａ磁界形成手段
とを具備した構成としである。

なお、成膜される無機膜は、プラズマガス及びこのプラ
ズマガス中に含まれる原料ガスの種類によって異なる。

［実施例］以Ｆ、本発明の実施例をダイヤモンドを［１する場合を
例にとって説明する。

なお、本明細書における、ダイヤモンドとは、ダイヤモ
ンドＳ膜とダイヤモンド状炭素膜を含むものである。

まず、第１図及び第２図によって、ダイヤモント膜の形
成装置について説明する。

第１図はタイヤモント膜の形成装置の−・実施例の要部
縦断面図、第２図は熱プラズマジェットの発生状態説明
図を示す。

これら図面において、ｌは銅製の陽極、２はタングステ
ン製の陰極であり、それぞれ平板状に形成しである。そ
して、これら平板状の陽極ｌと陰極２を所定の間隙をも
って平行に配置することにより直線状の間隙を有するア
ーク放電電極を構成している。Ｌ記電極における陽極ｌ
と陰極２（以ド、電極１．２と称すこともある。）の間
隙は１〜８■とすればよく、アーク発生の確実性を向−
ヒさせるには２〜５■−とすることか好ましし＼。

また、電極の膜としては、導電性を有し、ある程度の耐
熱性をＡ備するものであれば特に制限されず、銅、タン
グステン以外にも例えば、カーボン、Ｆ′１金、タング
ステン−＃ｊＬ類金属（Ｗ　　Ｔｈ等）、タンタル、チ
タン、ステンレス鋼などを用いることかできる。なお、
電極１．２は、その内部に冷却路１ａ、２ａを形成し、
常時冷却水を循環させることによって電極１．２の溶融
を防屯する構成となっている。

３は放電ガスの供給管、４は原料ガスの供給管てあり、
それぞれ陽極１と陰極２の間に放電ガスと炭素源ガス等
の原料ガスを供給する。電極１゜２間に放電ガスおよび
原料ガスを供給しつつ、電極１．２間にアークを放電す
ると、Ｅ記ガスは超高温のために急激に膨張して熱プラ
ズマジェットとなって７１極１．２の間隙より外部に向
かって噴き出す。

５はソレノトコイルで、電極１．２の川口付近に配置し
てあり、交流電源６より交流′ｒｒＬ流か供給される。

このソレノトコイル５に電流を流して磁界を形成すると
、フレミングの左ｆの法則によって電極１．２の間隙の
放電電流に′ｉ！磁力か作用し、プラズマジェットは直
線状の間隙に沿って移動する。このときソレノイドコイ
ル５に流れる電流は、上述のように交流であるので、周
波数に応してソレノイドコイル５に流れる電流の向きか
変り、これにともない磁界の方向も　１８０度変化する
。このため、プラズマジェットの移動方向か反転し、往
復運動を行なう。

７は基板ホルダ、８は基板であり、電極１．２の熱プラ
ズマジェットの噴き出す側に、電極１゜２と適宜の距離
をもって対向しかつ平行な状態て配置しである。基板８
（冷却されていることか好ましい）には、冷却用のガス
を吹き付けておき。

基板８と接触したプラズマを急激に冷却する。

基板８は必要に応じ上下動させるようにしてもよい、ま
た、基板８は、プラズマの移動方向に対して直角の方向
に移動させることもできる。

なお、電極１．２の間隙の両端に端部センサ９を配置し
ておき、熱プラズマジェットか間隙の端部からはみ出さ
ないようにすることもできる。

次に、上記実施例装置を用いたダイヤモンド成膜方法の
一実施例について説明する。

放電ガスと原料ガスを電極１．２の間隙に供給しつつ、
電極１．２間に電圧を印加し、アークを放電させる。こ
れにより、上記ガスは急激に１１餐して電極１．２の間
隙より熱プラズマ出力・ントとなって噴き出す。

この場合、原料ガスとしては、アルゴンガス。

水素ガス、ヘリウムガス、窒素ガス等を用い、また、気
相反応に用いる場合には、メタン。

エタン、アセチレン、アルコール、アセトン、メチルア
ミン、−酸化炭素などの炭素化合物、ハロゲン、窒素、
水素あるいはＦＩＩｔ黄等を含む化合物のカスを用いる
ことかできる。そして、例えば、アルゴン０〜３００１
／冒ｉｎ、好ましく（ま　ｌ〜ｌ口ＯＭ／ｓｔｎ、水素
ガス０．１〜５０１７　ｗｉｎ　、好ましくは０．１〜
３０文／訓ｎ、メタンガス０．０１〜３０文／鳳ｉｎ　
、好ましくはＱ、ｌ〜ｌＯ交／ｓｉｎからなる化合物の
ガスを供給する。たたし、この値はプラズマ出力によっ
て変化することかある。

また、電極１．２間でアークを放電させるための印加電
圧、＊流としては５〜１００ＯＶ　、　　１〜５００口
Ａ、ｋｆましくはｌＯ〜５ｏｏｖ、ｔｏ〜１００ＯＡと
する。

これは、印加電圧、電流か低過ぎるとアーク放電か発生
せず、また高過ぎると電極の溶融か激しくなるためであ
る。

さらに、反応圧力、すなわち反応室内の圧力は、通常の
圧力　例えば７６０〜０．１Ｔｏｒｒとする。

この反応圧力か低過ぎる場合には、ダイヤモンド生成速
度か著しく遅くなることかある。一方、高過ぎる場合に
は、ダイヤモンドの形成されないことかある。

一方、ツレノドコイル５にアークの動きと同期する交流
電流を流し、熱プラズマジェットの噴出部付近に交番磁
界を形成する。交番磁界か形成されると、アーク部分に
１８０度方向転換する電磁力か作用し、アークすなわち
熱プラズマジェットを電極１．２の直線状の間隙に沿っ
て高速往復運動させる。

これにより、＃ｌプラズマジェットは、電極！。

２の直線状の間隙から、基板８に向かって見かけＬ連続
的に噴出された状態となり、結局長尺の１α線状の熱プ
ラズマジェットを形成し、基板８）ｌ：の広い面積にわ
たって均一に衝突する。この場合、熱プラズマジット中
における温度勾配は小さく、局所的に高温となるような
ことはない。

また、アークか局在しないので、加熱による電極の溶解
や損傷のおそれかない。

このとき、ソレノイドコイル５を励磁するための交流電
源６には、周波数か１ＯＨｚ〜ｌ０ＫＩ−１ｚで、′Ｉ
ｆ流か０．１〜２００　Ａのものを用いる。電流か低く
過ぎると磁界が弱くなり、また周波数が低く過ぎるとプ
ラズマの動きか悪くなる。

なお、Ｌ述の交ｍ電源の周波数及び電流は、電極１，２
の間隙１幅あるいはガスの種類によって最適値か変化す
る。

以上は、交ｌｉｔ電流を用いた交＃磁界について述べた
か、直流電流を用い、この直流電流の流れる方向を制御
することによって行なうこともよい。

この場合、例えば、基板の移動とｔｍの流れ方向を任意
に制御することによって、基板りに任、ａの線と面から
なるパターンを１＆膜することも可１七となる。

［実験例と比較例コ実験例上述した実施例装置を用い、次の実験を行なった。

陽極・銅製、Ｘ冷力式陰極：タングステン製、水冷式電極（陽極、陰柵）の間隙、３■ 電極（陽極、ｖ１極）の幅　５０■重アーク放電：　　［７０Ｖ　、電流＋５０Ａ励磁コイル
・　６回巻き交流電源＋　５０１１ｙ、、　２０Ａ反応正カニ　　８０Ｔｏｒｒく結果〉この結果、輻約ＳＯ■の膜状の熱プラズマジェットを高
密度に得ることができ、２インチのシリコンウェハーを
上下動させることにより、２０井畷／Ｈｒの速度でダイ
ヤモンドを生成した。また、生成されたダイヤセントの
薄膜厚さは均一であり、結晶の大きさもほぼ均一であっ
た。

塩艶亘ユく条件〉通常の直流アークプラズマジェットを用い、実施例と同
様の原料ガスを使用し、かつ同様の反応圧力、アーク放
電で、ダイヤセントを生成した。

〈結果〉その結果１面積１０ｍｍφの、第３図に示すような円錐
形状のダイヤセントか生成された。中心部の生成は９０
０４ｍ　／Ｈｒにおよぶところもあったか膜状といえる
ものではなかった。

なお、従来のマイクロ波プラズマＣＶＤ法によりダイヤ
モンド成膜を行なったか、この場合、　３０ｍ１φの面
積からなるダイヤセントを、　ｉｐ＋＊／Ｉｌｒ以下の
きわめて遅い速度て生成した。

以Ｅのように、上述した本ダイヤモンド膜の形成方法に
よれば、均一膜厚で広面積のダイヤセントを高速度に形
成することかできる。

また、本ダイヤモンド膜の形成装置によれば、簡単な構
造の装置によりＬ述のダイヤモンド膜の形成方法を実施
することかできる。

本発明は、−１；述のダイヤセント膜のほか、窒化ほう
素、窒化アルミニウム、シリコン半導体などの成膜ある
いは、各種金属によるコーティングにも利用てきる。

さらに、本発明装置は、成膜たけでなく、各種金属の表
面処理等にも使用できる。

［発明の効果］以１−のように本発明によれば、プラズマの噴出領域の
広範囲化及び均一化を図れ、無機膜の形成を安定した状
態で広域かつ高速に行なうことかてきる。

また、電極か局部的に加熱されることかないので、溶解
あるいは損傷することかない。

さらに、任意のパターンからなる膜の形成も可能となる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一例であるタイヤセン１−膜の形成装
置におけるー・実施例の要部縦断面図、第２図は第１図
に示すダイヤモンド膜の形成装置のプラズマジェット発
生状態説明図、第３図は従来のダイヤモンド膜の形成装
置によって生成したダイヤモンドの形状を示す。１、陽極３゜放電ガス供給管５：ソレノイトコイル８：基板４：原料ガス供給管交流電源陰極

Claims

【特許請求の範囲】

（１）アーク放電を行なう陽極と陰極の間の線状（非環
状）間隙にガスを供給してプラズマを発生させるととも
に、このプラズマの発生する領域に交番磁界を形成し、
プラズマを上記線状間隙に沿って往復運動させながら噴
出して基板上に無機膜を生成させることを特徴とした無
機膜の形成方法。
（２）陽極と陰極をアーク放電可能な間隙をもって配置
し形成したアーク発生手段と、このアーク発生手段の上記間隙にガスを供給して、プラ
ズマを発生させるガス供給手段と、上記アーク発生手段
の近傍に配置し、プラズマに交互に反対方向の電磁力を
作用させる交番磁界形成手段と、からなることを特徴とした無機膜の形成装置。