JPH04235283A

JPH04235283A - 被膜形成装置及び被膜形成方法

Info

Publication number: JPH04235283A
Application number: JP41869490A
Authority: JP
Inventors: Shigenori Hayashi; 茂則林; Shunpei Yamazaki; 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1990-12-31
Filing date: 1990-12-31
Publication date: 1992-08-24
Anticipated expiration: 2013-12-24
Also published as: JP2840700B2

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は大気圧に於て被膜を形成
することのできる被膜形成方法と装置に関するものであ
る。これにより、真空ポンプ等の排気装置を必要としな
い低コストの被膜形成装置を提供することができる。被
膜は硬質炭素、窒化珪素、酸化珪素等の高硬度被膜を成
膜することができ、これらの被膜は金属、プラスチック
、ガラス、有機感光体等の表面硬質化、表面改質、反射
防止等に応用することができ、その応用範囲は多岐にわ
たる。本発明はこれらの被膜を安価に、大量に生産する
方法と装置を提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、硬質炭素、窒化珪素、酸化珪素等
の新機能材料被膜はプラズマＣＶＤ（化学気相合成法）
法を利用して作成される場合が多く、これらの方法の殆
どは減圧状態を利用する。減圧状態を用いることの主な
利点としては■大気中に含まれる酸素等の不純物の影響
が取り除かれる■プラズマの場合、安定な放電が広い領
域で得られ易い■平均自由行程が長いため膜厚均一性や
ステップガバレッジを向上させ易い等があげられる。し
かし、減圧状態を得るには高価な真空排気装置と真空状
態に耐える充分な強度を有した真空容器が必要である。

【０００３】一般に不純物の混入を極度に嫌う半導体分
野では性能を達成する必要があり、また付加価値の高い
製品の価格に高価な設備償却費を転嫁させやすい事情も
あるため、これら被膜は前述の如く減圧プラズマＣＶＤ
法により作成されていた。一方、車載用ボディー等の塗
膜、金属、プラスチック、ガラス、有機感光体等の表面
硬質化、表面改質、反射防止等の目的に薄膜を形成する
場合には、さほどの高純度は要求されず、むしろ高価な
設備を使用することによるコスト高が問題となる。即ち
、性能とコストを最適化する必要がある。

【０００４】一方、真空排気装置を必要としないプラズ
マ処理は一部知られており、エッチングに応用したもの
には特願平２−２８６８８３がある。これは、送流状態
にあるヘリウムを主成分とするガスがほぼ大気圧に等し
い圧力で充満された空間に交流の電界を印加し、前記ガ
スと前記ガス中に添加されたハロゲン系エッチングガス
を電離して励起子を生成し、エッチングに供するもので
ある。また、ヘリウムを主成分とするガスの放電を薄膜
堆積に応用しようとするものが知られている。（第３７
回応用物理学関係連合講演会講演予稿集第２分冊２８ｐ
−ＺＨ−１０）しかしながらこの研究は反応空間にヘリ
ウムを主成分とするガスで置換する必要があるため、反
応空間を一度真空に排気する行程を経ねばならない。

【０００５】前述のように従来の減圧成膜方法はプラス
チック、ガラス、有機感光体等の表面硬質化の為だけの
処理または膜形成等の目的には高価であり、より安価な
方法が求められていた。そこで、安価な成膜方法として
大気圧での放電を利用した成膜方法が考えられている。この方法を用いれば以下のような利点がある。■真空排
気の必要が無いため、高価な排気装置を必要としない。 ■従来真空排気に要した時間を省くことができるため、
タクトタイムを短縮することができる。■高い圧力での
成膜のため衝突時間が短く反応速度が速いため、成膜時
間を短くすることができる。これらは何れも成膜装置を
安価にし、タクトタイムを短縮できる要素であり、よっ
て、成膜コストを下げることへの寄与が大きい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが大気圧での成
膜では以下のような３つの問題が存在する。

【０００７】第１の問題は大気成分の混入である。これ
は、放電空間に発生したイオン、ラジカル等が基体表面
まで輸送されるまでの間に大気中の不純物、特に酸素と
化合して、被膜に影響を及ぼす問題である。また、被膜
の形成されつつある表面は活性であり、該表面に付着し
た酸素等の不純物は被膜の性能を低下させる原因となる
。

【０００８】第２の問題は放電空間が狭い領域に限られ
ることである。一般に被膜を基体上に成膜する場合は広
い面積に均一に成膜したいという要求がある。そのため
にはプラズマを広範囲に生成させねばならないが、大気
圧での放電は粒子の平均自由行程が１μｍ以下と短く、
電子とイオンの空間中での衝突による再結合（体積再結
合）が多くなり、場合にもよるが放電領域は通常は数ｍ
ｍ以上に広がらなくなる。

【０００９】第３の問題は反応速度が速すぎる点にある
。即ち、イオン、ラジカル等の衝突確率が高いために基
体表面で被膜として成長する前に空間中で反応してしま
い、粉となって基体上に析出してしまうことである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明はこれらの課題を
解決するために、アーク放電空間をパージガスで包むよ
うに覆い、該アーク放電空間と基体の間にスパッタを生
じるようなバイアスを印加し、さらに、プラズマにより
活性化された原料粒子の基板への到達確率を均一にする
ため、また、バイアスによるスパッタの効果を均一にす
るため、放電部と基板間の距離を一定になるようにした
ものである。また、放電部に磁場を作用させることによ
りプラズマ空間領域を制御し、被膜の均一性を向上させ
るものである。

【００１１】本発明の被膜形成方法は大気圧で行うこと
によりコストの低減を計るものであり、排気装置を有し
ないことを特徴としている。また、本発明では大気圧下
での放電の中でも特にアーク放電を用いる。アーク放電
はプラズマ内の温度が数千Ｋと高いため、通常分解しに
くいガスでも容易に分解する利点がある。そのため、未
分解が原因の膜質の低下がなく、製膜速度も非常に高く
なる。

【００１２】放電空間に導入されるガスは被膜を形成す
る原料ガスと、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスより
なる緩衝ガスより構成される。緩衝ガスはプラズマによ
り活性化された原料ガス同志の衝突確率を減少させ、該
原料ガスの空間中での反応を抑制する事により粉の発生
を低減させる役割を持つ。また、不活性ガスは一般に電
離電圧が高いためプラズマの温度がより高くなる。特に
ヘリウムを用いた場合はその電離電圧は最も高くなり、
プラズマ内での分解効率は最も良くなる。尚、緩衝ガス
に対する原料ガス濃度は５０％以下、好ましくは２０％
以下が良い。

【００１３】原料ガスは形成される被膜の種類により選
択され、硬質炭素膜を形成する場合はメタン、エチレン
、アセチレン、ベンゼン、メチルベンゼン等の炭化水素
系ガス、及び４弗化炭素、４塩化炭素、フロロベンゼン
、クロロベンゼン等のハロゲン化炭素、ハロゲン化炭化
水素系ガス、エタノール、メタノール等アルコール類等
炭素を含み、室温１気圧においてある程度の蒸気圧を有
するものであれば原則的には何でもよい。但し、該原料
ガスの未反応分は大気中に放出されるのでアセチレン、
ベンゼン等有毒物よりはメチルベンゼン、クロロベンゼ
ン、エタノール等無害のものの方が望ましい。また、一
分子中の炭素原子の多いものほど反応速度が速いという
傾向があるので、メタンよりはエチレン、エチレンより
はアセチレンの方が望ましく、ベンゼン等芳香族系分子
がより望ましい。さらに、成膜速度の有利性は原料ガス
にハロゲン系元素が含まれる場合大きくなる。これは、
ハロゲン系元素例えば弗素が、触媒的に作用し、炭化水
素分子の水素をＨＦの形で引き抜き、よって、炭化水素
分子が活性化されやすくなるためである。ハロゲン系元
素は４弗化炭素、４塩化炭素、フロロベンゼン、クロロ
ベンゼン等の炭素化合分子として供給されても、また、
３弗化窒素、６弗化硫黄、６弗化タングステン、弗素ガ
ス等の状態で供給されてもよい。尚、原料ガス中に窒素
、ボロン、リン等のＩＩＩＶ族元素を含んだガスを添加
すると、硬質炭素膜は若干の導電性を示すようになり、
静電気対策に有用な被膜を得ることができる。例えば、
エチレン、メチルベンゼン等炭化水素ガスに３弗化窒素
を添加すると成膜速度の高い、半絶縁体の（即ち静電対
策の施された）硬質炭素膜を得ることができる。また、原料ガス中に水素を混合すると硬質炭素膜中の未
結合手に水素がターミネートされ、また、未反応のｓｐ
、ｓｐ２結合が水素の作用によりｓｐ３結合になり易く
、そのため硬質炭素膜はより硬く、透明度も高くなる。

【００１４】形成する被膜が窒化珪素の場合は原料ガス
としてシラン、ジシラン等シラン系ガス及び窒素ガス、
アンモニアガス等窒素源を用いることができる。酸化珪
素の場合はシラン系ガス及び酸素、Ｎ２Ｏ等を用いるこ
とができる。また、Ａｌ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ
，Ｎｂ，Ｗ等の金属の原料ガスとしてはメチル基、エチ
ル基等を有した有機金属ガスを用いることが出来る。それら金属の酸化源としてはＯ２，Ｎ２Ｏ等、窒化源と
してはＮ２，アンモニア等、炭化源としてメタン、エチ
レン等の炭化水素、ＣＯ２等を用いることが出来る。ボ
ロン源としてはジボラン、リン源としてフォスフィンが
使える。タングステン源として他にフッ化タングステン
のごときハロゲン化物を用いることが出来る。ハロゲン
系物質を用いると反応速度が速くなり、有利である。

【００１５】また、反応中の成膜前駆体の衝突確率を低
下させ、これにより粉の発生を抑制する目的で希ガスの
他に水素ガスを緩衝ガスとして原料ガスに混合すること
もできる。

【００１６】これら原料ガスは調圧器により１気圧より
若干高く調圧され、同様に調圧された緩衝ガスと混合さ
れた後、反応空間に導入される。反応空間は中心に電圧
を印加する第一の電極とその外側に同心円状に配置され
る接地電極で挟まれた空間である。該第一の電極と接地
電極間に電界を加えると、まずグロー放電が発生し、更
に電力を増加させるとアーク放電に移行する。アーク放
電ではグロー放電に比べて電極間電圧は小さくなるが、
これは電極での電子放出機構がグロー放電では二次電子
放出であるのに対しアーク放電では熱電子放出であるた
め、放電の陽光柱に対する電極の電位差がアーク放電で
は小さくなるからであり、一方電流値はアーク放電では
グロー放電に対し１００倍以上大きくすることが出来る
。即ち、膜原料ガスラジカルの主に発生する陽光柱部分
への電力の投入はアーク放電の方がより大きく、効率的
に行うことができる。

【００１７】アーク放電の場合、電子放出機構は熱電子
放出であるため、両電極の熱電子放出係数は大きい方が
良い。温度が高いほど電子放出係数は大きくなるから、
高温度でも安定なタングステン、タンタル等の高融点金
属、ＬａＢ６等のホウ化金属、酸化物導電体等が有用で
ある。また、前記高融点金属、ホウ化金属、酸化物導電
体等の表面に電子放出係数の大きな物質、即ち仕事関数
の小さなＭｇＯ、ＣａＯ等の物質をコーティングするこ
とも有効である。

【００１８】アーク放電に印加する電界は直流、交流ど
ちらでも構わない。この場合はアーク放電は連続放電と
なるが、パルスもしくは矩形波変調された高周波を印加
すると時間的に放電形態の変化するパルス放電となる。デューティーが５０％以下であると、アーク放電開始初
期のプラズマとアフターグローの影響が大きくなり、連
続アーク放電時とは違った性質を発生する。アーク放電
開始初期はプラズマのインピーダンスが高く、よって、
空間中に掛かる電圧は高くなる。即ち、プラズマ中の電
子１個当りの得るエネルギーが大きく、電子温度は高く
なる。この時プラズマ空間中に存在する原料ガスは効率
よく励起される。次に、印加電力が停止したときよりプ
ラズマはアフターグローとなるが、この時、空間に印加
される外部電界は存在せず、空間内に存在する内部電界
のみとなる。この内部電界もアフターグロー中のイオン
と電子の再結合により急速に消滅してしまう。連続アー
ク放電では基体表面の微小な突部の電界集中により、選
択的に膜成長が起こり、ピンホールやボイドの原因とな
っていたのがアフターグロー放電においては基体表面の
微小な突部ヘの電界集中は起こらず、よって、ピンホー
ルやボイドのない良質な被膜が形成される。即ち、パル
スもしくは矩形波変調された高周波を用いると効率よく
活性化されたクラスター等成膜前駆体が均一に基体表面
に付着するため、成膜速度の高い良質な被膜を得ること
ができる。また、パルス放電では電極が加熱されるまで
のなだれ崩壊初期のみを選択的に利用することができる
ため電極の保護に対しても効果が生じる。尚、パルス周
期はアフターグローの消滅する時間に等しい数ミリ秒程
度が適当である。

【００１９】本発明のアーク放電空間の形状は最も簡単
なもので同心円筒状とすることができる。前記外側に同
心円状に配置される接地電極と前記中心部の第１電極間
の隙間は５ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下とするのが
よい。同心円筒状は例えて言えば点光源の如きもので、
移動させなければ基体表面上に点状に被膜が形成される
。よって広い面積の基体に被膜を均一に成膜しようとす
れば、基体もしくは被膜形成装置を移動させる必要があ
る。基体が平面の場合は２軸駆動装置（Ｘ−Ｙテーブル
）を組み合わせればよい。更にあと１軸追加して（Ｘ−
Ｙ−Ｚテーブル）、コンピューター等で制御すれば任意
の曲面に成膜することが可能である。

【００２０】使用するパージガスとしては、非酸化性の
気体が使用される。例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム
、クリプトン等が代表的である。これら気体の役目はア
ーク放電領域と大気成分の遮蔽であり、大気成分の内、
特に酸素と反応空間を遮断し、これら大気成分がアーク
放電によって形成される被膜中に混入することを防止す
るものである。このパージガスの導入方法としてはアー
ク放電領域を取り囲むように例えば前述の同心円状の膜
形成装置の場合では、外側電極を取り囲むようにその外
側に導出用のノズルまたは導出口を設け、アーク放電領
域を取り囲むようにパージガスを導入する。この際、パ
ージガスの量はアーク放電雰囲気ガスより相当多く導入
され、かつパージガス自身が放電しないように、高めの
圧力で導入することがよい。

【００２１】従来大気圧アーク放電の問題点である粉の
発生は膜前駆体（クラスター）が基体表面に輸送される
以前に、空間中で成長し、大きくなりすぎたものである
。これを防止するには空間中での反応速度を落とす、イ
オン、ラジカル、膜前駆体等を被膜表面に積極的に輸送
する、基板表面の反応速度を上げる、等の対策をこうじ
る必要がある。これら、対策の方法として磁場効果の利
用、基板へのバイアスの印加がある。

【００２２】大気圧アーク放電によりできたアーク放電
雰囲気ガスのプラズマ中の活性種を被膜形成用基体まで
確実に輸送する為の工夫として、本発明では基体へのバ
イアス電界の印加とアーク放電プラズマへの磁界の印加
を行う。プラズマに対して磁界を印加する手段としては
種々の方法がある。例えば、アーク放電装置に対抗した
位置の被膜形成用基体の背面に一般に知られている永久
磁石を設置したり、アーク放電装置のアーク放電領域近
傍にソレノイドコイルを設け磁界を印加すること、およ
びそれらの組み合わせがある。いずれの場合にも、印加
される磁界の方向は常圧アーク放電によりできたアーク
放電雰囲気ガスのプラズマ中の活性種を被膜形成用基体
まで確実に輸送するようにこれらの磁場発生手段が設け
られる。このプラズマへの磁場の印加は主として、スピ
ンを持ったラジカル種、電子及びイオン化した活性種を
基体の被膜形成面にまで到達させる作用として機能する
。これにより、基体表面付近の活性種の密度が高められ
る。磁場の強さは強い方が良く、２００ガウス以上、好
ましくは５００ガウス以上が良い。

【００２３】また、磁場の効果はラジカルの輸送だけで
なく、プラズマの空間的な形状の制御に用いることも出
来る。これは、電子がサイクロトロン運動によって磁束
に沿って放電空間より引き出され、プラズマの電気的中
性条件を満たすためにイオンも同時に引き出されること
により、磁束に沿ってプラズマが変形する事を利用する
。即ち、収束するような磁場を形成すればプラズマは収
束し、発散磁場を形成すればプラズマを広げることがで
きる。また、ある方向に曲げるような磁場を形成すれば
プラズマを曲げることが出来る。これにより、直方体の
角や凹部、凸部のコーナー等プラズマの入りにくい部位
にも被膜を形成することが出来る。

【００２４】一方、基体へのバイアス電界印加の方法と
しては、基体とアーク放電電極間に直流または高周波の
電源によりバイアスを印加することがある。このバイア
ス電界によりプラズマ中のイオン活性種が基体側に引き
寄せられ、基体付近では高エネルギーのイオンの密度が
高められる。このイオンより原料ガスがエネルギーを受
取りラジカル種の密度が基体付近で高められることにな
る。

【００２５】また、このバイアス電界により、イオンが
基体に衝突する。この衝突によりイオンより基体にエネ
ルギーが渡され、基体のごく表面に近い部分の温度が高
くなり、被膜の基体との密着性が向上し、基体表面での
膜形成の反応が促進される。即ち、バイアス電界により
基体に移動されたイオンによって、基体加熱と同じ効果
を実現することができる。尚、バイアス電界は基体と放
電電極間の距離が変化すると基体に加わる電界の効果は
著しく変化する。また、放電空間で発生したラジカルの
密度は放電空間から遠ざかる程低下するから、基体表面
でのラジカル密度は基体と放電電極間の距離に強く影響
され、成膜速度等が変化する。その為、基体と放電電極
間の距離は常に一定に保たれる必要があり、よって距離
測定装置及び距離制御機構が必要である。

【００２６】バイアス電界の周波数はプラズマ中のイオ
ン密度で決まるイオンプラズマ周波数より低い周波数で
ある必要がある。イオンプラズマ周波数より低い周波数
であればバイアス電界によりイオンは振動し、その運動
エネルギーを基板に伝えられるからである。一般に１Ｍ
Ｈｚ以下が適当である。

【００２７】これらの工夫により空間中で発生したラジ
カルは基板表面に確実に輸送され、また、基板表面での
反応は促進されるため、粉の少ない（即ちピンホールの
ない）緻密な被膜が高い製膜速度で製膜されることにな
る。

【００２８】

【実施例１】本実施例では点状装置と該装置による被膜
形成方法について述べる。図１に装置断面図およびガス
系、電気系の系統図を同時に示す。中心導体（１）、パ
ージガスノズル（３）は同軸に配置され、中心導体（１
）は絶縁支持体（４）に支持されている。パージガスノ
ズル（３）は外側接地電極も兼ねている。中心導体（１
）はタンタル、パージガスノズル（３）はステンレスで
、中心導体（１）、パージガスノズル（３）ともにプラ
ズマとの接触面には電子放出物質としてＭｇＯとＣａＯ
の混合物質をコーティングされ、絶縁支持体（４）はア
ルミナで構成されている。パージガスノズル（３）は同
軸円筒２重構造になっており、２重構造の間にパージガ
スを約１気圧で導入し、吹き出し口（６）よりパージガ
スを噴出させる。吹き出し口（６）は外周方向に吹き出
すように外向きになっている。中心導体（１）とパージ
ガスノズル（３）の間でアーク放電が発生し、ラジカル
を生成する。発生したラジカルは基板（７１）の方向に
ガス流によって運ばれるが、本発明では更にソレノイド
（６１）及び永久磁石（６２）を各々装置外周及び基板
ホルダー（７０）裏側に配し、ラジカルを磁束に沿って
基板（７１）の方向に引き出している。中心導体（１）
の外径は１ｍｍ、パージガスノズル（３）の内径は１．
７ｍｍである。また、アーク放電空間の長さは２０ｍｍ
とした。基板（７１）はポリカーボネートを用い、常磁
性体であるステンレス製の基板ホルダー（７０）の上に
設置した。基板（７１）は積極的に加熱していない。ア
ーク放電空間端から基板表面までの距離は１ｍｍとした
。

【００２９】アーク放電空間内に導入されるガスは原料
ガスボンベ（１１）より調圧器（２１）により調圧され
、ストップバルブ（３１）を介して流量制御器（４１）
により流量を制御された原料ガスと、同様にヘリウムガ
スポンベ（１２）より調圧器（２２）により調圧され、
ストップバルブ（３２）を介して流量性制御器（４２）
により流量を制御されたヘリウムガスが混合され、アー
ク放電空間内に導入される。原料ガスボンベ（１１）に
は水素ガスでバランスされた１０％メタンガスが充填さ
れている。ヘリウムと原料ガスの混合比は９９対１とし
た（原料ガス１％）。ヘリウムと原料ガスの総流量は１
００ｓｃｃｍである。

【００３０】中心導体（１）に供給される電力はブロッ
キングコンデンサ（５３）を介して高周波電源（５１）
より供給される。電源周波数は５０ｋＨｚ、実効投入電
力は１００Ｗとした。また、本発明の特徴であるバイア
ス電圧をバイアス電源（５２）より高周波阻止コイル１
（５５）、高周波阻止コイル２（５６）を介して印加し
た。バイパスコンデンサ（５４）は高周波阻止コイル１
（５５）を通過した高周波電力を逃がし、バイアス電源
（５２）を保護する役割を持っている。本実施例では印
加したバイアスは直流とし、電圧は基板ホルダーに対し
て−１００Ｖとした。

【００３１】パージガスはボンベ（１３）より調圧器（
２３）により調圧され、ストップバルブ（３３）を介し
て流量制御器（４３）により流量を制御されてパージガ
スノズルに供給される。本実施例ではパージガスは窒素
を用いた。流量は１０００ｓｃｃｍである。

【００３２】前述のような装置と方法によりポリカーボ
ネート基板上に硬質炭素膜が成膜された。被膜の成膜速
度はアーク放電領域開口部の直下で１．０μｍ／ｍｉｎ
と大変高い値でありながら、粉の発生は殆ど無く、ピン
ホールの少ない良質な膜であった。尚、微小押し込み硬
度計による硬度測定値は約３０００ｋｇｆ／ｍｍ２であ
り、分光透過率測定における可視域での透過率は９０％
以上とほぼ透明に近いものであった。また、ＦＴ−ＩＲ
、ラマン分光測定等によれば、ｓｐ３結合とｓｐ２結合
の比は１．６対１とダイヤモンドに近い構造を有してい
ることが分かった。

【００３３】尚、本実施例では被膜形成装置を移動させ
ることはしなかったが、平面上を等速度で走査させれば
、大面積の基板にも均一に被膜を形成できることは言う
までもない。

【００３４】『比較例１』

【００３５】本比較例では実施例１における磁場のない
場合について述べる。成膜等の条件は磁場のないことを
除き実施例１と同じである。この方法による形成された
被膜は比較例１と比べて硬度測定値、透過率は殆ど変わ
らないものの、成膜速度は若干小さくなり、粉の発生が
多く見られた。

【００３６】『比較例２』

【００３７】本比較例では実施例１におけるバイアスの
ない場合について述べる。成膜等の条件はバイアスのな
いことを除き実施例１と同じである。この方法による形
成された被膜は比較例１と比べて硬度は減少し、透過率
は向上した。また、粉の発生は『比較例１』同様多く見
られた。成膜速度の変化は見られなかった。

【００３８】『比較例３』

【００３９】本比較例では実施例１におけるパージガス
のない場合について述べる。成膜等の条件はパージガス
のないことを除き実施例１と同じである。この方法によ
る形成された被膜はアーク放電領域開口部の直下に僅か
に被膜が形成されたのみで、成膜速度は１０分の１程度
に低下した。これは酸素の混入により外周部近傍の被膜
がエッチングされたものと思われる。尚、硬度、透過率
に変化は見られなかった。

【００４０】

【発明の効果】大気圧においてヘリウムを主成分とする
ガスをアーク放電せしめ、該ガス中に原料となるガス（
硬質炭素膜の場合はメタン、水素等）を混合し、同時に
該アーク放電を包むように窒素等でパージを行い、磁場
とバイアス電圧を加えることにより、従来粉の発生が著
しくまた成膜速度が遅かったのが、粉の発生もなく、成
膜速度の高い良質の被膜を形成することが可能となった
。

【００４１】また、実施例では述べなかったが、凹部の
存在する表面でも、その部分に特に強く磁場を作用させ
ることにより、凹部の底や角においてもステップカバレ
ッジのよい膜が形成できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】同軸円筒状被膜形成装置の断面図とガス及び電
気系の系統図を示す。

【符号の説明】

１　　中心導体３　　パージガスノズル４　　絶縁支持体６１　　ソレノイド磁石６２　　永久磁石１１　　原料ガスボンベ１２　　ヘリウムボンベ１３　　パージガスボンベ５１　　高周波電源５２　　バイアス電源６１　　ソレノイド磁石６２　　永久磁石７１　　基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　被膜の形成されるべき基体に対して開
口を有するアーク放電空間と該アーク放電空間を包むよ
うに配置したパージガスノズルを有する被膜形成装置で
あって、前記パージガスノズルから吹き出したパージガ
スが実質的に前記アーク放電空間を大気雰囲気より遮断
することを特徴とする被膜形成装置。
【請求項２】　　請求項１において、前記基体が平面も
しくは凸面もしくは凹面であることを特徴とする請求項
１記載の被膜形成装置。
【請求項３】　　請求項１において、前記形成される被
膜はダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬ
Ｃ），ＢＮ，ＢＣｘ，ＢＰ，ＳｉＮｘ，ＳｉＣ，ＳｉＯ
ｘ，　　Ａｌ２Ｏ３，ＴａＮ，ＴａＣ，ＴａＯ，ＴｉＮ
，ＴｉＣ，ＴｉＯ，ＺｒＮ，ＺｒＣ，ＺｒＯ２，ＨｆＣ
，ＨｆＮ，ＶＣ，ＮｂＣ，ＷＣより選ばれた１種類の単
一層もしくは２種類以上の複数層を積層した構成である
ことを特徴とする請求項１記載の被膜形成装置。
【請求項４】　　被膜の形成されるべき基体に対して開
口を有するアーク放電空間と該アーク放電空間を包むよ
うに配置したパージガスノズルを有する被膜形成装置で
あって、前記アーク放電空間に配置されたアーク放電電
極に対して、アーク放電の維持に必要な電磁エネルギー
以外の第二の電界を前記基体との間で印加する手段を有
することを特徴とする被膜形成装置。
【請求項５】　　請求項４において、前記基体が平面も
しくは凸面もしくは凹面であることを特徴とする請求項
４記載の被膜形成装置。
【請求項６】　　請求項４において、前記形成される被
膜はダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬ
Ｃ），ＢＮ，ＢＣｘ，ＢＰ，ＳｉＮｘ，ＳｉＣ，ＳｉＯ
ｘ，Ａｌ２Ｏ３，ＴａＮ，ＴａＣ，ＴａＯ，ＴｉＮ，Ｔ
ｉＣ，ＴｉＯ，ＺｒＮ，ＺｒＣ，ＺｒＯ２，ＨｆＣ，Ｈ
ｆＮ，ＶＣ，ＮｂＣ，ＷＣより選ばれた１種類の単一層
もしくは２種類以上の複数層を積層した構成であること
を特徴とする請求項４記載の被膜形成装置。
【請求項７】　　被膜の形成されるべき基体に対して開
口を有するアーク放電空間と該アーク放電空間を包むよ
うに配置したパージガスノズルを有する被膜形成装置で
あって、前記アーク放電部と基板間の距離を一定に保つ
様な制御機構を有することを特徴とする被膜形成装置。
【請求項８】　　請求項７において、前記基体が平面も
しくは凸面もしくは凹面であることを特徴とする請求項
７記載の被膜形成装置。
【請求項９】　　請求項７において、前記形成される被
膜はダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬ
Ｃ），ＢＮ，ＢＣｘ，ＢＰ，ＳｉＮｘ，ＳｉＣ，ＳｉＯ
ｘ，Ａｌ２Ｏ３，ＴａＮ，ＴａＣ，ＴａＯ，ＴｉＮ，Ｔ
ｉＣ，ＴｉＯ，ＺｒＮ，ＺｒＣ，ＺｒＯ２，ＨｆＣ，Ｈ
ｆＮ，ＶＣ，ＮｂＣ，ＷＣより選ばれた１種類の単一層
もしくは２種類以上の複数層を積層した構成であること
を特徴とする請求項７記載の被膜形成装置。
【請求項１０】　　被膜の形成されるべき基体に対して
開口を有するアーク放電空間と該アーク放電空間を包む
ように配置したパージガスノズルを有する被膜形成装置
を使用して、前記アーク放電空間に堆積される被膜の原
料ガスをヘリウムとともに大気雰囲気の圧力とほぼ等し
い圧力で導入し、前記原料ガスをアーク放電の電磁エネ
ルギー、もしくは該アーク放電の電磁エネルギーにより
生成されたヘリウムの励起子エネルギーにより活性化せ
しめ、前記パージガスノズルから吹き出したパージガス
が実質的に前記アーク放電空間を大気雰囲気より遮断し
た状態で前記基体表面に被膜を形成するすることを特徴
とする被膜形成方法。
【請求項１１】　　請求項１０において、前記基体が平
面もしくは凸面もしくは凹面であることを特徴とする請
求項１０記載の被膜形成方法。
【請求項１２】　　請求項１０において、前記形成され
る被膜は、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン
（ＤＬＣ），ＢＮ，ＢＣｘ，ＢＰ，ＳｉＮｘ，ＳｉＣ，
ＳｉＯｘ，Ａｌ２Ｏ３，ＴａＮ，ＴａＣ，ＴａＯ，Ｔｉ
Ｎ，ＴｉＣ，ＴｉＯ，ＺｒＮ，ＺｒＣ，ＺｒＯ２，Ｈｆ
Ｃ，ＨｆＮ，ＶＣ，ＮｂＣ，ＷＣより選ばれた１種類の
単一層もしくは２種類以上の複数層を積層した構成であ
ることを特徴とする請求項１０記載の被膜形成方法。
【請求項１３】　　被膜の形成されるべき基体に対して
開口を有するアーク放電空間と該アーク放電空間を包む
ように配置したパージガスノズルを有する被膜形成装置
を使用して、前記アーク放電空間に配置されたアーク放
電電極に対して、アーク放電の維持に必要な電磁エネル
ギー以外の第二の電界を前記基体との間に印加すること
を特徴とする被膜形成方法。
【請求項１４】　　請求項１３において、前記基体が平
面もしくは凸面もしくは凹面であることを特徴とする請
求項１３記載の被膜形成方法。
【請求項１５】　　請求項１３において、前記形成され
る被膜は、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン
（ＤＬＣ），ＢＮ，ＢＣｘ，ＢＰ，ＳｉＮｘ，ＳｉＣ，
ＳｉＯｘ，Ａｌ２Ｏ３，ＴａＮ，ＴａＣ，ＴａＯ，Ｔｉ
Ｎ，ＴｉＣ，ＴｉＯ，ＺｒＮ，ＺｒＣ，ＺｒＯ２，Ｈｆ
Ｃ，ＨｆＮ，ＶＣ，ＮｂＣ，ＷＣより選ばれた１種類の
単一層もしくは２種類以上の複数層を積層した構成であ
ることを特徴とする請求項１３記載の被膜形成方法。
【請求項１６】　　被膜の形成されるべき基体に対して
開口を有するアーク放電空間と該アーク放電空間を包む
ように配置したパージガスノズルを有する被膜形成装置
を使用して、アーク放電部と前記基板間の距離を一定に
保ちつつ被膜を形成することを特徴とする被膜形成方法
。
【請求項１７】　　請求項１６において、前記基体が平
面もしくは凸面もしくは凹面であることを特徴とする請
求項１６記載の被膜形成方法。
【請求項１８】　　請求項１６において、前記形成され
る被膜は、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン
（ＤＬＣ），ＢＮ，ＢＣｘ，ＢＰ，ＳｉＮｘ，ＳｉＣ，
ＳｉＯｘ，Ａｌ２Ｏ３，ＴａＮ，ＴａＣ，ＴａＯ，Ｔｉ
Ｎ，ＴｉＣ，ＴｉＯ，ＺｒＮ，ＺｒＣ，ＺｒＯ２，Ｈｆ
Ｃ，ＨｆＮ，ＶＣ，ＮｂＣ，ＷＣより選ばれた１種類の
単一層もしくは２種類以上の複数層を積層した構成であ
ることを特徴とする請求項１６記載の被膜形成方法。
【請求項１９】　　被膜の形成されるべき基体に対して
開口を有するアーク放電空間と該アーク放電空間を包む
ように配置したパージガスノズルを使用する被膜形成方
法において、該アーク放電空間の外周もしくは基板裏面
もしくはその両方に磁石等磁場を発生させる機構を配置
し、該磁場発生機構により任意の磁場を発生させ、該磁
場によりプラズマを空間的に変形させることを特徴とす
る被膜形成方法。
【請求項２０】　　請求項１９において、前記基体が平
面もしくは凸面もしくは凹面であることを特徴とする請
求項１９記載の被膜形成方法。
【請求項２１】　　請求項１９において、前記形成され
る被膜は、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン
（ＤＬＣ），ＢＮ，ＢＣｘ，ＢＰ，ＳｉＮｘ，ＳｉＣ，
ＳｉＯｘ，Ａｌ２Ｏ３，ＴａＮ，ＴａＣ，ＴａＯ，Ｔｉ
Ｎ，ＴｉＣ，ＴｉＯ，ＺｒＮ，ＺｒＣ，ＺｒＯ２，Ｈｆ
Ｃ，ＨｆＮ，ＶＣ，ＮｂＣ，ＷＣより選ばれた１種類の
単一層もしくは２種類以上の複数層を積層した構成であ
ることを特徴とする請求項１９記載の被膜形成方法。