JPWO2007015445A1 - プラズマ発生装置およびこれを用いた成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長尺なプラズマを簡単かつ安価に発生可能とすること共に、１台の装置で、複数の成膜法を実施可能とすること。【解決手段】本プラズマ発生装置は、当該装置の真空内部に、一部に開孔を備えかつガス導入と共に直流負電圧が印加されて内部にプラズマを発生する筒状電極を備える。

Description

本発明は、装置の真空内部に配置した電極に電圧を印加してプラズマを発生するプラズマ発生装置およびこれを用いた成膜方法に関する。

プラズマは、半導体、表示素子、磁気記録素子、耐磨耗素子などの製造において薄膜形成に利用することができる。

上記成膜の対象が例えばワイヤ等の一方向に長い基板の表面に成膜する場合、長尺なプラズマを発生するプラズマ発生装置が必要である。

プラズマを用いた成膜にはＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）がある。このような成膜は個別の成膜装置が必要である。
特開２００４−２１６２４６号公報 特許第２９８００５８号公報 特開平１０−２０３８９６号公報 特開２００４−１９００８２号公報

本発明が解決する課題は、長尺な成膜対象に対しても簡単かつ安価に成膜することができると同時に種類が異なる成膜にも使用することが可能なプラズマ発生装置およびこれを用いた成膜方法を提供することである。

（１）本発明に係るプラズマ発生装置は、装置の真空内部に、筒状電極が配置され、該筒状電極の内部にガスを導入し、かつ、該筒状電極に直流負電圧をプラズマ発生電圧として印加する構成を備える。

上記筒状電極は、コイル状、網目状、柵状および籠状のうちの少なくともいずれか１つの形状を有する周壁を備えることが好ましい。

上記筒状電極は、両端が開口しかつ当該両端方向にストレートに延びかつその内部に板状またはワイヤ状の成膜対象を配置することが可能な形状に形成されていることが好ましい。

上記筒状電極は金属で構成されていることが好ましい。

上記筒状電極は固体炭素で構成されていることが好ましい。

上記筒状電極は断面円形であることが好ましい。

上記筒状電極は断面多角形であることが好ましい。

本発明のプラズマ発生装置によると、筒状電極を用いたから、成膜対象が例えば板状やワイヤ状等の長尺である場合、筒状電極をその成膜対象に合わせて長尺な筒状にしてその内部に成膜対象を配置して成膜することができる。

以上により、本発明では、成膜対象の成膜に長尺なプラズマが必要な場合、筒状電極を長尺化してその長尺なプラズマを発生することができる。この場合、プラズマの長尺化は筒状電極を形状的に長尺化するだけでよいから、プラズマの長尺化に要する費用を抑制し、することができる。

また、本発明では、成膜対象がワイヤ状に長尺な場合では、筒状電極を両端開口とし、その筒状電極に成膜対象を挿入し、筒状電極と成膜対象とを相対移動することにより、プラズマを長尺化しなくても、長尺な成膜対象に安価に成膜をすることができる。

本発明のプラズマ発生装置は、１台でもって、圧力の制御とガスの種類の選択とにより、ＰＶＤ、反応性ＰＶＤ、ＣＶＤ等の複数の成膜操作ができる。

上記筒状電極は、一端または両端が開口していても、閉じていてもよい。

上記成膜対象の形状は特に限定されない。

上記成膜対象の形状は、板状、ワイヤ状を例示することができる。

上記成膜対象の断面の形状は特に限定されない。

上記成膜対象の形状は、円形、半円形、楕円形、多角形、等を例示することができる。

上記筒状電極の形状は特に限定されない。

上記筒状電極の周壁をコイル状や網目状とした場合、その螺旋径、螺旋ピッチを調整して所望密度のプラズマを発生させることができ、また、プラズマ発生時の筒状電極の熱膨張を効率的に吸収し、熱膨張による応力を緩和して筒状電極の寿命を伸ばすことができる。

上記筒状電極の周壁を柵状や籠状にした場合、筒状電極とワイヤ状や板状の成膜対象との間にプラズマを均等かつ高密度に発生させることができる。

（２）本発明のプラズマ発生方法は、上記（１）に記載のプラズマ発生装置を用いて、上記筒状電極の内部に成膜対象を配置する第１ステップと、上記筒状電極内部を減圧制御する第２ステップと、上記筒状電極内部にガスを導入する第３ステップと、上記筒状電極に直流負電圧を印加する第４ステップと、を備える。

好ましくは、上記成膜対象に成膜速度制御用のバイアス電圧を印加する第５ステップを含む。

好ましくは、上記成膜対象に膜質制御用のバイアス電圧を印加する第６ステップ含む。

本発明によれば、長尺なプラズマを簡単かつ安価に発生することができる。同時に本発明によれば、１台の装置でもって、圧力の制御とガスの種類の選択とにより、複数種類の成膜操作を行うできる。

本発明の実施の形態においてプラズマ発生装置の一例を示す図である。 プラズマ発生装置の外観を示す図である。 プラズマ発生装置によるプラズマの発生状態を示す写真である。 プラズマ発生装置によるプラズマの発生状態を示す写真である。 筒状電極の変形例を示す図である。 筒状電極の他の変形例を示す図である。 筒状電極のさらなる変形例を示す図である。 炭素膜が形成されたワイヤ状陰極の側面図である。 図８のワイヤ状陰極を備えるフィールドエミッションランプの断面図である。 プラズマ発生装置の他の例を示す図である。 プラズマ発生装置のさらに他の例を示す図である。 プラズマ発生装置による成膜を示すＳＥＭ写真である。 プラズマ発生装置による成膜構造を示す断面図である。 図１２の針状炭素膜の断面形状を示す図である。 プラズマ発生装置のさらに他の例を示す図である。 プラズマ発生装置のさらに他の例を示す図である。 プラズマ発生装置のさらに他の例を示す図である。 プラズマ発生装置のさらに他の例を示す図である。 図１７のプラズマ発生装置においてバイアス電源の電圧を横軸に導電性ワイヤの表面への成膜速度を縦軸にとる図である。 図１７のプラズマ発生装置においてバイアス電源の電圧を横軸に導電性ワイヤの表面への膜の膜質を縦軸にとる図である。

符号の説明

１０ プラズマ発生装置
２０ 筒状電極
２２ 導電性ワイヤ（成膜対象）

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。
（プラズマ発生装置の一例）
図１にプラズマ発生装置の構成、図２にプラズマ発生装置の外観を示す。プラズマ発生装置１０は、円筒形のチャンバ１２を備える。チャンバ１２は導電性または絶縁性を有する。チャンバ１２はガス導入部１４とガス排出部１６とを備える。チャンバ１２は覗き窓１８を有する。ガス導入部１４にガス導入装置９が接続される。このガス導入装置９はガスボンベ８から成膜法の種類に対応したガスを選択しその圧力や流量を調節してガス導入部１４にガスを導入する。ガスボンベ８もガス導入装置に含めることができる。ガス排気部１６には排気制御弁（真空バルブ）１１を介して圧力制御装置１３が接続される。真空チャンバ２内は、圧力制御装置１３により排気制御弁１１の開度制御の下で１０Ｐａから１００００Ｐａの範囲の圧力に制御することができる。

プラズマ発生用ガスは、実施の形態のプラズマ発生装置１０がＰＶＤ装置として用いる場合では例えばアルゴンやヘリウム等の非反応性ガスである。反応性ＰＶＤ装置として用いる場合ではプラズマ発生用ガスとして例えば酸素等の反応性ガスである。ＣＶＤ装置として用いる場合では例えば炭素系のガスである。

チャンバ１２内の圧力は１０Ｐａから１００００Ｐａの範囲で適宜に設定されるが、実施の形態のプラズマ発生装置１０がＰＶＤ装置や反応性ＰＶＤ装置として用いる場合では例えば１００Ｐａ以下であり、ＣＶＤ装置として用いる場合では例えば５００Ｐａ以上である。

チャンバ１２の内部には筒状電極２０が配置されている。

筒状電極２０は、コイル状に構成されている。

筒状電極２０の内部空間には成膜対象である導電性ワイヤ２２が配置されている。筒状電極２０は一方向にストレートに延びており、筒状電極２０の内部空間は一方向に長く延びる円筒形のプラズマ発生用の空間をなしている。導電性ワイヤ２２はこの内部空間に配置されて細長に延びた構造になっている。

筒状電極２０の内周面と導電性ワイヤ２２の外周面とはその延設方向に所要の空間を隔てて相対向している。筒状電極２０の一端側は電圧可変型の直流電源２４の負極に接続されて直流負電圧が印加されている。

以上の構成を備えたプラズマ発生装置１０において、真空排気系１３でチャンバ１２内を減圧しかつガス導入部１４からプラズマ発生用ガスを導入し、直流電源２４の負電圧を筒状電極２０に印加すると、筒状電極２０の内部空間にプラズマ２６が発生する。

図３は、本プラズマ発生装置１０において筒状電極２０の内部空間にプラズマ２６が発生している様子を示す写真である。この写真はチャンバ１２の覗き窓１８を通してチャンバ１２内部を撮影した写真である。図３Ａの写真は、直流電源２４の電圧７００Ｖ、導入ガスとしてメタン／水素ガス、圧力８０Ｐａのものであり、図３Ｂの写真は、直流電源２４の電圧７００Ｖ、メタン／水素ガス、圧力１７０Ｐａのものである。筒状電極２０の材料はＳＵＳ、導電性ワイヤ２２の材料はニッケルである。写真内には符号をとれないが、チャンバ１２外からはその覗き窓１８を通してチャンバ１２内の筒状電極２０とワイヤ２２とプラズマ２６とが明瞭に撮影されている。

このプラズマ発生装置１０を用いてワイヤに成膜する方法を説明すると、筒状電極２０の内部に導電性のワイヤ２２を配置する。ワイヤ２２の両端を交流電源２３に接続し、ワイヤ２２を加熱してもよい。ガス導入部１４から水素ガスとメタンガスとを導入する。

チャンバ１２の内圧を減圧し、直流電源２４の負電位を筒状電極２０に印加したとき、筒状電極２０の内部空間にプラズマ２６が発生し、これにより、メタンガスが分解され、ワイヤ２２の表面に炭素膜が成膜される。

図３の写真では筒状電極２０の内部空間に成膜対象としての導電性ワイヤ２２が配置されており、この導電性ワイヤ２２の表面に炭素膜を成膜することができた。

筒状電極２０は図４で示すような開孔が無い閉じた筒状の周壁構造を有する筒状電極２０でも、図５で示すような複数の独立した開孔を円周方向に有する柵状とされた周壁構造を有する筒状電極２０でもよい。この場合、柵状に代えて網目状とすることができる。

炭素膜を成膜した上記導電性ワイヤ２２は冷陰極電子源に用いることができる。冷陰極電子源はフィールドエミッションランプに組み込むことができる。フィールドエミッションランプでは、冷陰極電子源と陽極との間の電界印加により冷陰極電子源から電子を放出する。この放出した電子は蛍光体に衝突して該蛍光体を励起発光させる。

ワイヤ２２の表面の炭素膜にはカーボンナノチューブやカーボンナノウォール膜や針状炭素膜を例示することができる。

本実施形態では図６で示すように筒状電極２０を曲げ、この筒状電極２０の内部に該筒状電極２０の曲げに対応して導電性ワイヤ２２も曲げて配置しても、導電性ワイヤ２２の表面に炭素膜を成膜することができる。

以上のようにこの実施の形態では、筒状電極２０を例えば２ｍ程度の長尺にし、この筒状電極２０の内部に例えば２ｍにもわたる長尺の導電性ワイヤ２２を配置し、筒状電極２０の内部空間に該筒状電極２０の内部空間の形状に沿って長尺のプラズマ２６を発生させて、導電性ワイヤ２２の表面に炭素膜を成膜することができる。

以上により、上記プラズマ発生装置は、１台でもって、圧力の制御とガスの種類の選択とにより、ＰＶＤ、反応性ＰＶＤ、ＣＶＤ等の成膜操作ができる。すなわち、本プラズマ発生装置は、第１に、圧力制御手段で圧力を低圧例えば１００Ｐａ以下に真空引き制御し、ガス導入手段で例えばアルゴンやヘリウム等の非反応性ガスを導入し、電圧印加手段で筒状電極に直流負電圧を印加する。そうすることにより、筒状電極内部に上記ガスを内部の高電界によりプラズマ化しガス分子のイオンが発生する。そのイオンは筒状電極の負電位に引かれて該筒状電極に衝突して該筒状電極から原子を叩き出す（スパッタリングする）。この叩き出された原子により成膜対象の表面に膜が形成される。すなわち、本発明のプラズマ発生装置では、ＰＶＤ装置として用いることができる。

第２に、圧力制御手段で圧力を低圧例えば１００Ｐａ以下に制御し、ガス導入手段で例えば酸素等の反応性ガスを導入し、電圧印加手段で筒状電極に直流負電圧を印加する。そうすることにより、筒状電極内部にプラズマが発生する。この発生したプラズマは、筒状電極を構成する例えば鉄やニッケル等の材料をスパッタリングする。これにより筒状電極内部に配置した成膜対象の表面に鉄やニッケル等の酸化物が成膜される。すなわち、本プラズマ発生装置では、反応性ＰＶＤ装置として用いることができる。

第３に、圧力制御手段で圧力を高圧例えば５００Ｐａ以上に制御し、ガス導入手段で例えば水素ガスとメタンガスとの混合ガス等を導入し、電圧印加手段で筒状電極に直流負電圧を印加する。そうすることにより、筒状電極内部にプラズマが発生する。この発生したプラズマにより筒状電極内部に配置した成膜対象の表面に炭素膜が成膜される。すなわち、本プラズマ発生装置では、プラズマＣＶＤ装置として用いることができる。

本プラズマ発生装置においては、例えば、筒状電極の内部に例えば炭素化合物系のガスを導入して長尺のワイヤや基材等の成膜対象の表面に炭素膜を成膜する場合、筒状電極をその成膜対象の長さに合わせて延長し、その筒状電極の内部に成膜対象を配置するだけで成膜することができ、成膜費用を低減することができる。

本プラズマ発生装置は、フィールドエミッション型ランプの冷陰極電子源の製造に適用することができる。この冷陰極電子源は、導電性ワイヤの表面に多数の微細突起を有する炭素膜を形成した物である。

本プラズマ発生装置では、炭素系ガスの導入より、成膜対象の表面に炭素膜を成膜する直流プラズマＣＶＤ装置とすることができる。

本プラズマ発生装置では、エッチング用ガスの導入より、直流プラズマエッチング装置とすることができる。本発明のプラズマ発生装置で、プレーティング用ガスの導入により、直流プラズマプレーティング装置とすることができる。

本プラズマ発生装置では、ガスボンベとしてＣＶＤ用、エッチング用、プレーティング用それぞれを備えることにより１台のプラズマ発生装置で少なくとも３つの成膜用のプラズマを発生することができる。

（プラズマ発生装置の他の例）
本実施の形態のプラズマ発生装置１０は、筒状電極２０を固体炭素で構成することができる。この場合、筒状電極２０はそのすべての電極部分を固体炭素で構成することに限定されない。

本実施の形態のプラズマ発生装置１０では、導入ガスとして水素ガスを用いた場合、水素プラズマが発生する。このプラズマ中の水素イオンは直流負電圧が印加されている固体炭素源である筒状電極２０に高速衝突する。この衝突エネルギーにより筒状電極２０から炭素が飛び出す。この飛び出したターゲット粒子である炭素はプラズマ中の水素イオンと化学結合（ＣＨｘ）して炭化水素化合物となって筒状電極２０の内部に配置した成膜対象例えば導電性ワイヤ２２に衝突する。導電性ワイヤ２２と衝突した炭化水素化合物から水素が飛び出し、導電性ワイヤ２２の表面に炭素が止まり堆積する。この結果、導電性ワイヤ２２の表面に炭素膜が成膜される。

プラズマ発生装置１０では、ガスを導入することなく、導電性ワイヤ２２の表面に炭素膜を成膜することができる。導入ガスを例えばアルゴンガスとして導電性ワイヤ２２の表面にプラズマＰＶＤによる炭素膜を成膜することができる。

図８に、図７に示す表面に炭素膜２８が形成されたワイヤ２２をワイヤ状陰極３０として備えたフィールドエミッションランプの断面構成を示す。

図８で示すように、このフィールドエミッションランプは、管径２−２５ｍｍで管長６ｃｍ−２ｍのランプ管３４内部に直径１−２ｍｍ程度で６ｃｍ−２ｍ程度にワイヤ状陰極３０を備える。このランプ管３４内面には蛍光体付き陽極３２が設けられている。蛍光体付き陽極３２は、陽極３２ａと蛍光体３２ｂとから構成されている。図８に示すフィールドエミッションランプには、ランプ管３４の内部に電子衝突により励起されて紫外光を発生するガスを封入し、ランプ管３４の内面に紫外光を可視光に変換するフォトルミネセンス蛍光体を設けるタイプを含むことができる。

本実施の形態では上記以外に、図示はしないが、チャンバ内部に一対の長方形の電極を対向配置し、一方の電極上に導電性ワイヤを載置し、チャンバ内部に水素ガスと炭素系ガスとを導入し、これら両電極間に直流負電圧を印加することにより、プラズマを発生させて、導電性ワイヤの表面に炭素膜を成膜することができる。

本実施の形態では、図９に示すように導電性ワイヤ２２を交流電源２３で加熱してもよい。筒状電極２０を構成するコイルの線径は例えば２ｍｍから２５ｍｍである。このコイルの線間間隔に例えば２ｍｍから２０ｍｍである。

（プラズマ発生装置のさらに他の例）
図１０に本発明のさらに他の実施の形態に係るプラズマ発生装置１０を示す。この実施の形態では筒状電極２０の両端に高周波電源２５から高周波電圧が印加されている。高周波電源２５の電力周波数は、例えば、１３．５６ＭＨｚ、４ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ、４０．６８ＭＨｚなどである。筒状電極２０には負の直流電圧に高周波電圧が重畳された電圧（重畳電圧）が印加されている。直流電源２４の正極は接地されている。筒状電極２０を構成するコイルの線径、線間間隔には特に限定されない。

以上の構成を備えたプラズマ発生装置１０において、チャンバ１２内を減圧しかつガス導入部１４から導入ガスとしてメタンガスと水素ガスとが導入され、筒状電極２０に上記重畳電圧が印加されると、筒状電極２０の内部にプラズマ２６が発生する。このプラズマ２６により、筒状電極２０の内部に配置された導電性のワイヤ２２の表面に炭素膜が成膜される。

図１１は、以下に述べる条件で成膜した炭素膜のＳＥＭ写真１，２である。ＳＥＭ写真２はＳＥＭ写真１の拡大写真である。ＳＥＭ写真１は、陽極と陰極との間の印加電圧３．０ｋＶ、倍率１０００倍である。ＳＥＭ写真２は、倍率４３００倍である。

図１２は、上記ＳＥＭ写真で示される炭素膜の構造の模式図である。成膜条件は、メタンガスの流量５ｃｃｍ、水素ガスの流量は３００ｃｃｍ、直流電力３０００Ｗ、高周波電力５００Ｗ、導電性ワイヤ２２の温度７５０℃、チャンバ１２の圧力２０００Ｐａ、バイアス−１２０Ｖ、成膜時間１０分である。

この炭素膜は、網目状炭素膜Ｆ１と、この網目状炭素膜Ｆ１に囲まれた１つまたは複数の針状炭素膜Ｆ２と、針状炭素膜Ｆ２の膜下部から膜中途に至りまとわる形態で成膜された壁状炭素膜Ｆ３とを有する。ここで、針状炭素膜Ｆ２は、その半径が任意の位置から先端に向かうにつれて小さくなる形状を有する。

詳しくは、針状炭素膜Ｆ２は、ファウラノルドハイムの式における電界集中係数βが、任意の位置での半径をｒ、その位置から先端までの高さをｈとして、ｈ／ｒの式で表され、かつ、その半径が任意の位置から先端に向かうにつれて小さくなる形状を備えている。

網目状炭素膜Ｆ１は基板Ｓ上に連続的に成膜され、平面方向から見た場合、全体がほぼ網目状になっている。この網目状炭素膜Ｆ１の高さ（Ｈ）はほぼ１０ｎｍ以下の程度であり、この網目状炭素膜Ｆ１の幅（Ｗ）は４ｎｍないし８ｎｍ程度である。この網目状炭素膜Ｆ１で囲まれた基板２上の領域に針状炭素膜Ｆ２は、針状に伸びその先端が電界集中して電子を放出する電子放出点となる。針状炭素膜Ｆ２は、網目状炭素膜Ｆ１で囲まれていることにより、電子放出点として相互の間隔を制約ないしは規定されている。

針状炭素膜Ｆ２は、網目状炭素膜Ｆ１の高さ（Ｈ）よりも高い高さ（ｈ）、例えば、６０μｍ程度に成膜される。壁状炭素膜Ｆ３は、側面から見た形状は概ね裾広がりの形状をなしている。この形状は、例えば、円錐形状になっている。ただし、幾何学的に完全な円錐形を意味するものではなく、理解し易い表現として説明していて、実際は横広がり状態、螺旋状態、等の各種の形状となっている。いずれにしても、壁状炭素膜Ｆ３は、基板Ｓに対して広い底面積で接触することにより、針状炭素膜Ｆ２を基板Ｓに機械的に強固に支持することができるとともに、基板Ｓに対する針状炭素膜Ｆ２の電気的コンタクトを十分に確保することができる。

以上の構造を有する実施の形態の炭素膜では、針状炭素膜Ｆ２は、カーボンナノチューブのようにアスペクト比が大きいのであるが、壁状炭素膜Ｆ３の膜形態が、針状炭素膜Ｆ２にその膜下部から膜中途に至りまとわる形態で壁状に広がる形態をなして成膜されているので、基板Ｓ上に機械的に強固に支持され、基板上に倒れ込みにくくなる結果、照明ランプの電子放出源としての安定性が向上するとともに、針状炭素膜Ｆ２の直径が細くても、電流を流し込むための基板との電気的コンタクトを壁状炭素膜Ｆ３によりとることができるので、照明ランプの電子放出源として必要な電子放出特性を得ることができる。

また、この炭素膜では、針状炭素膜Ｆ２の先端の周りの電位面が急激に変化して、電界が強く集中するようになっている。また、網目状炭素膜Ｆ１には電界集中が起こらない。また、針状炭素膜Ｆ２は網目状炭素膜Ｆ１により相互の間隔を互いの電界集中作用を阻害しないように適宜の間隔（Ｄ）、例えば、１００μｍ程度隔てられている。この針状炭素膜Ｆ２の集合程度は、従来のカーボンナノチューブのような密集状態ではなく、網目状炭素膜Ｆ１毎の針状炭素膜Ｆ２の電界集中に対する影響は極めて小さいものである。

以上のように実施の形態の炭素膜構造においては、針状炭素膜Ｆ２に電界集中しやすい。そして、この針状炭素膜Ｆ２が基板Ｓ上に成膜された網目状炭素膜Ｆ１により囲まれてその配置間隔が制約される結果、針状炭素膜Ｆ２が多数密集することを制約することができ、それぞれの針状炭素膜Ｆ２の電界集中性能を発揮させることが可能となって優れた電子放出特性を提供することができる。

この針状炭素膜Ｆ２は、壁状炭素膜Ｆ３により、基板Ｓ上での姿勢が極めて安定化し、電子を安定して放出することができ、かつ、複数の針状の膜それぞれの成膜方向が揃い易くなり、この面からも複数の針状炭素膜Ｆ２それぞれからの電子放出量が基板全体にわたり均一にすることができる。その結果、針状炭素膜Ｆ２は、冷陰極電子源として電界放射型の照明ランプに用いると、ランプ内の蛍光体を均一な輝度で発光させることができる。また、針状炭素膜Ｆ２は、壁状炭素膜Ｆ３により、基板Ｓ上に機械的に強固に支持され、基板Ｓ上に倒れ込みにくくなる。この結果、照明ランプの電子放出源としての安定性が向上する。また、針状炭素膜Ｆ２は、壁状炭素膜Ｆ３により、電流を流し込むための基板との電気的コンタクトを壁状の膜Ｆ３によりとることができる。

針状炭素膜Ｆ２は、その電界集中係数βが、任意の位置での半径をｒ、その位置から先端までの高さをｈ、として、ｈ／ｒの式で表され、かつ、先端に向けて半径が小さくなる針形状を有する。そのため、針状炭素膜Ｆ２は、電界放射が飽和しにくい炭素膜となる。

（プラズマ発生装置のさらに他の例）
図１４にプラズマ発生装置のさらに他の例を示す。このプラズマ発生装置は、成膜装置に組み込まれている。この成膜装置は、チャンバ１２の内部にガスボンベ８からプラズマ発生用のガスがガス圧力／流量調節回路９により圧力と流量とを調節されてその導入部１４を通じてチャンバ１２内に導入することができるようになっている。

チャンバ１２の排気部１４には排気制御弁１１を介して真空排気系１３が接続されており、チャンバ１２の内部圧力が調節される。チャンバ１２内は、真空排気系１３により排気制御弁１１の開度制御の下で圧力制御される。

チャンバ１２内部には、筒状電極２０が互いの外周面が電気的に接触する状態で並設されている。これら複数の筒状電極２０は金属製網（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２０の内部には成膜対象物の一例である導体ワイヤ２２が配置されている。

筒状電極２０には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２４の正極側は接地されている。チャンバ１２は接地されている。直流電源２４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、チャンバ１２の内圧を上記圧力範囲で減圧しかつガス導入部１４からガスを導入し、直流電源２４の負電位を筒状電極２０に印加すると、各筒状電極２０の内部にプラズマが発生してガスが分解される。この結果、導体ワイヤ２２表面に膜が成膜される。

以上のように本プラズマ発生装置は、筒状電極を複数個並設したので、それぞれの筒状電極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。

複数の筒状電極２０は、図１５で示すように相互に分離していても、直流電源２４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２０内部にプラズマを発生させることができる。

図１４の複数の筒状電極２０はそれぞれ独立して互いの内部は連通していない状態で並設されているが、図１６で示すように複数の筒状電極２０は互いに内部で連通した状態で並設されてもよい。

筒状電極は断面円形、断面多角形、断面楕円形、その他の断面形状となしチャンバ内に多数配置してもよい。

以上のプラズマ発生装置では、各筒状電極２０内部それぞれに例えば導電性ワイヤ２２を配置し、各筒状電極２０内にプラズマを発生させるとともにその内部にガスを導入することにより導電性ワイヤ２２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。その結果、導電性ワイヤ２２を用いる製品の量産化に寄与することができる。

（プラズマ発生装置のさらに他の例）
図１７にさらにバイアス電源４０を備えたプラズマ発生装置１０のさらに他の例を示す。このバイアス電源４０は成膜対象である導電性ワイヤ２２に負極が接続され、正極がチャンバ１２に接続されて接地されている。

図１８にバイアス電源４０の電圧を横軸に導電性ワイヤ２２の表面への成膜速度を縦軸にとる図であり、図１８で示すようにバイアス電源４０の電圧を大きくするに伴い、導電性ワイヤ２２表面への成膜速度を上昇させることができる。

図１９にバイアス電源４０の電圧を横軸に導電性ワイヤ２２の表面への膜の膜質を縦軸にとる図であり、図１９で示すようにバイアス電源４０の電圧を例えば１００−２００Ｖの範囲に調整することにより上記膜質を改善することができる。

本発明にかかるプラズマ発生装置は、長尺な成膜対象に対して長尺なプラズマを発生することが可能で、圧力制御とガス種類の選定とにより、種類が異なる成膜を行うことができる。

本発明は、装置の真空内部に配置した電極に電圧を印加してプラズマを発生するプラズマ発生装置およびこれを用いた成膜方法に関する。

プラズマは、半導体、表示素子、磁気記録素子、耐磨耗素子などの製造において薄膜形成に利用することができる。

上記成膜の対象が例えばワイヤ等の一方向に長い基板の表面に成膜する場合、長尺なプラズマを発生するプラズマ発生装置が必要である。

プラズマを用いた成膜にはＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）がある。このような成膜は個別の成膜装置が必要である。
特開２００４−２１６２４６号公報 特許第２９８００５８号公報 特開平１０−２０３８９６号公報 特開２００４−１９００８２号公報

本発明が解決する課題は、長尺な成膜対象に対しても簡単かつ安価に成膜することができると同時に種類が異なる成膜にも使用することが可能なプラズマ発生装置およびこれを用いた成膜方法を提供することである。

（１）本発明に係るプラズマ発生装置は、装置の真空内部に、筒状電極が配置され、該筒状電極の内部にガスを導入し、かつ、該筒状電極に直流負電圧をプラズマ発生電圧として印加する構成を備える。

上記筒状電極は、コイル状、網目状、柵状および籠状のうちの少なくともいずれか１つの形状を有する周壁を備えることが好ましい。

上記筒状電極は、両端が開口しかつ当該両端方向にストレートに延びかつその内部に板状またはワイヤ状の成膜対象を配置することが可能な形状に形成されていることが好ましい。

上記筒状電極は金属で構成されていることが好ましい。

上記筒状電極は固体炭素で構成されていることが好ましい。

上記筒状電極は断面円形であることが好ましい。

上記筒状電極は断面多角形であることが好ましい。

本発明のプラズマ発生装置によると、筒状電極を用いたから、成膜対象が例えば板状やワイヤ状等の長尺である場合、筒状電極をその成膜対象に合わせて長尺な筒状にしてその内部に成膜対象を配置して成膜することができる。

以上により、本発明では、成膜対象の成膜に長尺なプラズマが必要な場合、筒状電極を長尺化してその長尺なプラズマを発生することができる。この場合、プラズマの長尺化は筒状電極を形状的に長尺化するだけでよいから、プラズマの長尺化に要する費用を抑制し、することができる。

また、本発明では、成膜対象がワイヤ状に長尺な場合では、筒状電極を両端開口とし、その筒状電極に成膜対象を挿入し、筒状電極と成膜対象とを相対移動することにより、プラズマを長尺化しなくても、長尺な成膜対象に安価に成膜をすることができる。

本発明のプラズマ発生装置は、１台でもって、圧力の制御とガスの種類の選択とにより、ＰＶＤ、反応性ＰＶＤ、ＣＶＤ等の複数の成膜操作ができる。

上記筒状電極は、一端または両端が開口していても、閉じていてもよい。

上記成膜対象の形状は特に限定されない。

上記成膜対象の形状は、板状、ワイヤ状を例示することができる。

上記成膜対象の断面の形状は特に限定されない。

上記成膜対象の形状は、円形、半円形、楕円形、多角形、等を例示することができる。

上記筒状電極の形状は特に限定されない。

上記筒状電極の周壁をコイル状や網目状とした場合、その螺旋径、螺旋ピッチを調整して所望密度のプラズマを発生させることができ、また、プラズマ発生時の筒状電極の熱膨張を効率的に吸収し、熱膨張による応力を緩和して筒状電極の寿命を伸ばすことができる。

上記筒状電極の周壁を柵状や籠状にした場合、筒状電極とワイヤ状や板状の成膜対象との間にプラズマを均等かつ高密度に発生させることができる。

（２）本発明のプラズマ発生方法は、上記（１）に記載のプラズマ発生装置を用いて、上記筒状電極の内部に成膜対象を配置する第１ステップと、上記筒状電極内部を減圧制御する第２ステップと、上記筒状電極内部にガスを導入する第３ステップと、上記筒状電極に直流負電圧を印加する第４ステップと、を備える。

好ましくは、上記成膜対象に成膜速度制御用のバイアス電圧を印加する第５ステップを含む。

好ましくは、上記成膜対象に膜質制御用のバイアス電圧を印加する第６ステップ含む。

本発明によれば、長尺なプラズマを簡単かつ安価に発生することができる。同時に本発明によれば、１台の装置でもって、圧力の制御とガスの種類の選択とにより、複数種類の成膜操作を行うことができる。

本発明の実施の形態においてプラズマ発生装置の一例を示す図である。 プラズマ発生装置の外観を示す図である。 プラズマ発生装置によるプラズマの発生状態を示す写真である。 プラズマ発生装置によるプラズマの発生状態を示す写真である。 筒状電極の変形例を示す図である。 筒状電極の他の変形例を示す図である。 筒状電極のさらなる変形例を示す図である。 炭素膜が形成されたワイヤ状陰極の側面図である。 図８のワイヤ状陰極を備えるフィールドエミッションランプの断面図である。 プラズマ発生装置の他の例を示す図である。 プラズマ発生装置のさらに他の例を示す図である。 プラズマ発生装置による成膜を示すＳＥＭ写真である。 プラズマ発生装置による成膜構造を示す断面図である。 図１２の針状炭素膜の断面形状を示す図である。 プラズマ発生装置のさらに他の例を示す図である。 プラズマ発生装置のさらに他の例を示す図である。 プラズマ発生装置のさらに他の例を示す図である。 プラズマ発生装置のさらに他の例を示す図である。 図１７のプラズマ発生装置においてバイアス電源の電圧を横軸に導電性ワイヤの表面への成膜速度を縦軸にとる図である。 図１７のプラズマ発生装置においてバイアス電源の電圧を横軸に導電性ワイヤの表面への膜の膜質を縦軸にとる図である。

符号の説明

１０ プラズマ発生装置
２０ 筒状電極
２２ 導電性ワイヤ（成膜対象）

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。

（プラズマ発生装置の一例）
図１にプラズマ発生装置の構成、図２にプラズマ発生装置の外観を示す。プラズマ発生装置１０は、円筒形のチャンバ１２を備える。チャンバ１２は導電性または絶縁性を有する。チャンバ１２はガス導入部１４とガス排出部１６とを備える。チャンバ１２は覗き窓１８を有する。ガス導入部１４にガス導入装置９が接続される。このガス導入装置９はガスボンベ８から成膜法の種類に対応したガスを選択しその圧力や流量を調節してガス導入部１４にガスを導入する。ガスボンベ８もガス導入装置に含めることができる。ガス排気部１６には排 気制御弁（真空バルブ）１１を介して圧力制御装置１３が接続される。真空チャンバ２内は、圧力制御装置１３により排気制御弁１１の開度制御の下で１０Ｐａから１００００Ｐａの範囲の圧力に制御することができる。

プラズマ発生用ガスは、実施の形態のプラズマ発生装置１０がＰＶＤ装置として用いる場合では例えばアルゴンやヘリウム等の非反応性ガスである。反応性ＰＶＤ装置として用いる場合ではプラズマ発生用ガスとして例えば酸素等の反応性ガスである。ＣＶＤ装置として用いる場合では例えば炭素系のガスである。

チャンバ１２内の圧力は１０Ｐａから１００００Ｐａの範囲で適宜に設定されるが、実施の形態のプラズマ発生装置１０がＰＶＤ装置や反応性ＰＶＤ装置として用いる場合では例えば１００Ｐａ以下であり、ＣＶＤ装置として用いる場合では例えば５００Ｐａ以上である。

チャンバ１２の内部には筒状電極２０が配置されている。

筒状電極２０は、コイル状に構成されている。

筒状電極２０の内部空間には成膜対象である導電性ワイヤ２２が配置されている。筒状電極２０は一方向にストレートに延びており、筒状電極２０の内部空間は一方向に長く延びる円筒形のプラズマ発生用の空間をなしている。導電性ワイヤ２２はこの内部空間に配置されて細長に延びた構造になっている。

筒状電極２０の内周面と導電性ワイヤ２２の外周面とはその延設方向に所要の空間を隔てて相対向している。筒状電極２０の一端側は電圧可変型の直流電源２４の負極に接続されて直流負電圧が印加されている。

以上の構成を備えたプラズマ発生装置１０において、真空排気系１３でチャンバ１２内を減圧しかつガス導入部１４からプラズマ発生用ガスを導入し、直流電源２４の負電圧を筒状電極２０に印加すると、筒状電極２０の内部空間にプラズマ２６が発生する。

図３は、本プラズマ発生装置１０において筒状電極２０の内部空間にプラズマ２６が発生している様子を示す写真である。この写真はチャンバ１２の覗き窓１８を通してチャンバ１２内部を撮影した写真である。図３Ａの写真は、直流電源２４の電圧７００Ｖ、導入ガスとしてメタン／水素ガス、圧力８０Ｐａのものであり、図３Ｂの写真は、直流電源２４の電圧７００Ｖ、メタン／水素ガス、圧力１７０Ｐａのものである。筒状電極２０の材料はＳＵＳ、導電性ワイヤ２２の材料はニッケルである。写真内には符号をとれないが、チャンバ１２外からはその覗き窓１８を通してチャンバ１２内の筒状電極２０とワイヤ２２とプラズマ２６とが明瞭に撮影されている。

このプラズマ発生装置１０を用いてワイヤに成膜する方法を説明すると、筒状電極２０の内部に導電性のワイヤ２２を配置する。ワイヤ２２の両端を交流電源２３に接続し、ワイヤ２２を加熱してもよい。ガス導入部１４から水素ガスとメタンガスとを導入する。

チャンバ１２の内圧を減圧し、直流電源２４の負電位を筒状電極２０に印加したとき、筒状電極２０の内部空間にプラズマ２６が発生し、これにより、メタンガスが分解され、ワイヤ２２の表面に炭素膜が成膜される。

図３の写真では筒状電極２０の内部空間に成膜対象としての導電性ワイヤ２２が配置されており、この導電性ワイヤ２２の表面に炭素膜を成膜することができた。

筒状電極２０は図４で示すような開孔が無い閉じた筒状の周壁構造を有する筒状電極２０でも、図５で示すような複数の独立した開孔を円周方向に有する柵状とされた周壁構造を有する筒状電極２０でもよい。この場合、柵状に代えて網目状とすることができる。

炭素膜を成膜した上記導電性ワイヤ２２は冷陰極電子源に用いることができる。冷陰極電子源はフィールドエミッションランプに組み込むことができる。フィールドエミッションランプでは、冷陰極電子源と陽極との間の電界印加により冷陰極電子源から電子を放出する。この放出した電子は蛍光体に衝突して該蛍光体を励起発光させる。

ワイヤ２２の表面の炭素膜にはカーボンナノチューブやカーボンナノウォール膜や針状炭素膜を例示することができる。

本実施形態では図６で示すように筒状電極２０を曲げ、この筒状電極２０の内部に該筒状電極２０の曲げに対応して導電性ワイヤ２２も曲げて配置しても、導電性ワイヤ２２の表面に炭素膜を成膜することができる。

以上のようにこの実施の形態では、筒状電極２０を例えば２ｍ程度の長尺にし、この筒状電極２０の内部に例えば２ｍにもわたる長尺の導電性ワイヤ２２を配置し、筒状電極２０の内部空間に該筒状電極２０の内部空間の形状に沿って長尺のプラズマ２６を発生させて、導電性ワイヤ２２の表面に炭素膜を成膜することができる。

以上により、上記プラズマ発生装置は、１台でもって、圧力の制御とガスの種類の選択とにより、ＰＶＤ、反応性ＰＶＤ、ＣＶＤ等の成膜操作ができる。すなわち、本プラズマ発生装置は、第１に、圧力制御手段で圧力を低圧例えば１００Ｐａ以下に真空引き制御し、ガス導入手段で例えばアルゴンやヘリウム等の非反応性ガスを導入し、電圧印加手段で筒状電極に直流負電圧を印加する。そうすることにより、筒状電極内部に上記ガスを内部の高電界によりプラズマ化しガス分子のイオンが発生する。そのイオンは筒状電極の負電位に引かれて該筒状電極に衝突して該筒状電極から原子を叩き出す（スパッタリングする）。この叩き出された原子により成膜対象の表面に膜が形成される。すなわち、本発明のプラズマ発生装置では、ＰＶＤ装置として用いることができる。

第２に、圧力制御手段で圧力を低圧例えば１００Ｐａ以下に制御し、ガス導入手段で例えば酸素等の反応性ガスを導入し、電圧印加手段で筒状電極に直流負電圧を印加する。そうすることにより、筒状電極内部にプラズマが発生する。この発生したプラズマは、筒状電極を構成する例えば鉄やニッケル等の材料をスパッタリングする。これにより筒状電極内部に配置した成膜対象の表面に鉄やニッケル等の酸化物が成膜される。すなわち、本プラズマ発生装置では、反応性ＰＶＤ装置として用いることができる。

第３に、圧力制御手段で圧力を高圧例えば５００Ｐａ以上に制御し、ガス導入手段で例えば水素ガスとメタンガスとの混合ガス等を導入し、電圧印加手段で筒状電極に直流負電圧を印加する。そうすることにより、筒状電極内部にプラズマが発生する。この発生したプラズマにより筒状電極内部に配置した成膜対象の表面に炭素膜が成膜される。すなわち、本プラズマ発生装置では、プラズマＣＶＤ装置として用いることができる。

本プラズマ発生装置においては、例えば、筒状電極の内部に例えば炭素化合物系のガスを導入して長尺のワイヤや基材等の成膜対象の表面に炭素膜を成膜する場合、筒状電極をその成膜対象の長さに合わせて延長し、その筒状電極の内部に成膜対象を配置するだけで成膜することができ、成膜費用を低減することができる。

本プラズマ発生装置は、フィールドエミッション型ランプの冷陰極電子源の製造に適用することができる。この冷陰極電子源は、導電性ワイヤの表面に多数の微細突起を有する炭素膜を形成した物である。

本プラズマ発生装置では、炭素系ガスの導入より、成膜対象の表面に炭素膜を成膜する直流プラズマＣＶＤ装置とすることができる。

本プラズマ発生装置では、エッチング用ガスの導入より、直流プラズマエッチング装置とすることができる。本発明のプラズマ発生装置で、プレーティング用ガスの導入により、直流プラズマプレーティング装置とすることができる。

本プラズマ発生装置では、ガスボンベとしてＣＶＤ用、エッチング用、プレーティング用それぞれを備えることにより１台のプラズマ発生装置で少なくとも３つの成膜用のプラズマを発生することができる。

（プラズマ発生装置の他の例）
本実施の形態のプラズマ発生装置１０は、筒状電極２０を固体炭素で構成することができる。この場合、筒状電極２０はそのすべての電極部分を固体炭素で構成することに限定されない。

本実施の形態のプラズマ発生装置１０では、導入ガスとして水素ガスを用いた場合、水素プラズマが発生する。このプラズマ中の水素イオンは直流負電圧が印加されている固体炭素源である筒状電極２０に高速衝突する。この衝突エネルギーにより筒状電極２０から炭素が飛び出す。この飛び出したターゲット粒子である炭素はプラズマ中の水素イオンと化学結合（ＣＨｘ）して炭化水素化合物となって筒状電極２０の内部に配置した成膜対象例えば導電性ワイヤ２２に衝突する。導電性ワイヤ２２と衝突した炭化水素化合物から水素が飛び出し、導電性ワイヤ２２の表面に炭素が止まり堆積する。この結果、導電性ワイヤ２２の表面に炭素膜が成膜される。

プラズマ発生装置１０では、ガスを導入することなく、導電性ワイヤ２２の表面に炭素膜を成膜することができる。導入ガスを例えばアルゴンガスとして導電性ワイヤ２２の表面にプラズマＰＶＤによる炭素膜を成膜することができる。

図８に、図７に示す表面に炭素膜２８が形成されたワイヤ２２をワイヤ状陰極３０として備えたフィールドエミッションランプの断面構成を示す。

図８で示すように、このフィールドエミッションランプは、管径２−２５ｍｍで管長６ｃｍ−２ｍのランプ管３４内部に直径１−２ｍｍ程度で６ｃｍ−２ｍ程度にワイヤ状陰極３０を備える。このランプ管３４内面には蛍光体付き陽極３２が設けられている。蛍光体付き陽極３２は、陽極３２ａと蛍光体３２ｂとから構成されている。図８に示すフィールドエミッションランプには、ランプ管３４の内部に電子衝突により励起されて紫外光を発生するガスを封入し、ランプ管３４の内面に紫外光を可視光に変換するフォトルミネセンス蛍光体を設けるタイプを含むことができる。

本実施の形態では上記以外に、図示はしないが、チャンバ内部に一対の長方形の電極を対向配置し、一方の電極上に導電性ワイヤを載置し、チャンバ内部に水素ガスと炭素系ガスとを導入し、これら両電極間に直流負電圧を印加することにより、プラズマを発生させて、導電性ワイヤの表面に炭素膜を成膜することができる。

本実施の形態では、図９に示すように導電性ワイヤ２２を交流電源２３で加熱してもよい。筒状電極２０を構成するコイルの線径は例えば２ｍｍから２５ｍｍである。このコイルの線間間隔に例えば２ｍｍから２０ｍｍである。

（プラズマ発生装置のさらに他の例）
図１０に本発明のさらに他の実施の形態に係るプラズマ発生装置１０を示す。この実施の形態では筒状電極２０の両端に高周波電源２５から高周波電圧が印加されている。高周波電源２５の電力周波数は、例えば、１３．５６ＭＨｚ、４ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ、４０．６８ＭＨｚなどである。筒状電極２０には負の直流電圧に高周波電圧が重畳された電圧（重畳電圧）が印加されている。直流電源２４の正極は接地されている。筒状電極２０を構成するコイルの線径、線間間隔には特に限定されない。

以上の構成を備えたプラズマ発生装置１０において、チャンバ１２内を減圧しかつガス導入部１４から導入ガスとしてメタンガスと水素ガスとが導入され、筒状電極２０に上記重畳電圧が印加されると、筒状電極２０の内部にプラズマ２６が発生する。このプラズマ２６により、筒状電極２０の内部に配置された導電性のワイヤ２２の表面に炭素膜が成膜される。

図１１は、以下に述べる条件で成膜した炭素膜のＳＥＭ写真１，２である。ＳＥＭ写真２はＳＥＭ写真１の拡大写真である。ＳＥＭ写真１は、陽極と陰極との間の印加電圧３．０ｋＶ、倍率１０００倍である。ＳＥＭ写真２は、倍率４３００倍である。

図１２は、上記ＳＥＭ写真で示される炭素膜の構造の模式図である。成膜条件は、メタンガスの流量５ｃｃｍ、水素ガスの流量は３００ｃｃｍ、直流電力３０００Ｗ、高周波電力５００Ｗ、導電性ワイヤ２２の温度７５０℃、チャンバ１２の圧力２０００Ｐａ、バイアス−１２０Ｖ、成膜時間１０分である。

この炭素膜は、網目状炭素膜Ｆ１と、この網目状炭素膜Ｆ１に囲まれた１つまたは複数の針状炭素膜Ｆ２と、針状炭素膜Ｆ２の膜下部から膜中途に至りまとわる形態で成膜された壁状炭素膜Ｆ３とを有する。ここで、針状炭素膜Ｆ２は、その半径が任意の位置から先端に向かうにつれて小さくなる形状を有する。

詳しくは、針状炭素膜Ｆ２は、ファウラノルドハイムの式における電界集中係数βが、任意の位置での半径をｒ、その位置から先端までの高さをｈとして、ｈ／ｒの式で表され、かつ、その半径が任意の位置から先端に向かうにつれて小さくなる形状を備えている。

網目状炭素膜Ｆ１は基板Ｓ上に連続的に成膜され、平面方向から見た場合、全体がほぼ網目状になっている。この網目状炭素膜Ｆ１の高さ（Ｈ）はほぼ１０ｎｍ以下の程度であり、この網目状炭素膜Ｆ１の幅（Ｗ）は４ｎｍないし８ｎｍ程度である。この網目状炭素膜Ｆ１で囲まれた基板２上の領域に針状炭素膜Ｆ２は、針状に伸びその先端が電界集中して電子を放出する電子放出点となる。針状炭素膜Ｆ２は、網目状炭素膜Ｆ１で囲まれていることにより、電子放出点として相互の間隔を制約ないしは規定されている。

針状炭素膜Ｆ２は、網目状炭素膜Ｆ１の高さ（Ｈ）よりも高い高さ（ｈ）、例えば、６０μｍ程度に成膜される。壁状炭素膜Ｆ３は、側面から見た形状は概ね裾広がりの形状をなしている。この形状は、例えば、円錐形状になっている。ただし、幾何学的に完全な円錐形を意味するものではなく、理解し易い表現として説明していて、実際は横広がり状態、螺旋状態、等の各種の形状となっている。いずれにしても、壁状炭素膜Ｆ３は、基板Ｓに対して広い底面積で接触することにより、針状炭素膜Ｆ２を基板Ｓに機械的に強固に支持することができるとともに、基板Ｓに対する針状炭素膜Ｆ２の電気的コンタクトを十分に確保すること ができる。

以上の構造を有する実施の形態の炭素膜では、針状炭素膜Ｆ２は、カーボンナノチューブのようにアスペクト比が大きいのであるが、壁状炭素膜Ｆ３の膜形態が、針状炭素膜Ｆ２にその膜下部から膜中途に至りまとわる形態で壁状に広がる形態をなして成膜されているので、基板Ｓ上に機械的に強固に支持され、基板上に倒れ込みにくくなる結果、照明ランプの電子放出源としての安定性が向上するとともに、針状炭素膜Ｆ２の直径が細くても、電流を流し込むための基板との電気的コンタクトを壁状炭素膜Ｆ３によりとることができるので、照明ランプの電子放出源として必要な電子放出特性を得ることができる。

また、この炭素膜では、針状炭素膜Ｆ２の先端の周りの電位面が急激に変化して、電界が強く集中するようになっている。また、網目状炭素膜Ｆ１には電界集中が起こらない。また、針状炭素膜Ｆ２は網目状炭素膜Ｆ１により相互の間隔を互いの電界集中作用を阻害しないように適宜の間隔（Ｄ）、例えば、１００μｍ程度隔てられている。この針状炭素膜Ｆ２の集合程度は、従来のカーボンナノチューブのような密集状態ではなく、網目状炭素膜Ｆ１毎の針状炭素膜Ｆ２の電界集中に対する影響は極めて小さいものである。

以上のように実施の形態の炭素膜構造においては、針状炭素膜Ｆ２に電界集中しやすい。そして、この針状炭素膜Ｆ２が基板Ｓ上に成膜された網目状炭素膜Ｆ１により囲まれてその配置間隔が制約される結果、針状炭素膜Ｆ２が多数密集することを制約することができ、それぞれの針状炭素膜Ｆ２の電界集中性能を発揮させることが可能となって優れた電子放出特性を提供することができる。

この針状炭素膜Ｆ２は、壁状炭素膜Ｆ３により、基板Ｓ上での姿勢が極めて安定化し、電子を安定して放出することができ、かつ、複数の針状の膜それぞれの成膜方向が揃い易くなり、この面からも複数の針状炭素膜Ｆ２それぞれからの電子放出量が基板全体にわたり均一にすることができる。その結果、針状炭素膜Ｆ２は、冷陰極電子源として電界放射型の照明ランプに用いると、ランプ内の蛍光体を均一な輝度で発光させることができる。また、針状炭素膜Ｆ２は、壁状炭素膜Ｆ３により、基板Ｓ上に機械的に強固に支持され、基板Ｓ上に倒れ込みにくくなる。この結果、照明ランプの電子放出源としての安定性が向上する。また、針状炭素膜Ｆ２は、壁状炭素膜Ｆ３により、電流を流し込むための基板との電気的コンタクトを壁状の膜Ｆ３によりとることができる。

針状炭素膜Ｆ２は、その電界集中係数βが、任意の位置での半径をｒ、その位置から先端までの高さをｈ、として、ｈ／ｒの式で表され、かつ、先端に向けて半径が小さくなる針形状を有する。そのため、針状炭素膜Ｆ２は、電界放射が飽和しにくい炭素膜となる。

（プラズマ発生装置のさらに他の例）
図１４にプラズマ発生装置のさらに他の例を示す。このプラズマ発生装置は、成膜装置に組み込まれている。この成膜装置は、チャンバ１２の内部にガスボンベ８からプラズマ発生用のガスがガス圧力／流量調節回路９により圧力と流量とを調節されてその導入部１４を通じてチャンバ１２内に導入することができるようになっている。

チャンバ１２の排気部１４には排気制御弁１１を介して真空排気系１３が接続されており、チャンバ１２の内部圧力が調節される。チャンバ１２内は、真空排気系１３により排気制御弁１１の開度制御の下で圧力制御される。

チャンバ１２内部には、筒状電極２０が互いの外周面が電気的に接触する状態で並設されている。これら複数の筒状電極２０は金属製網（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２０の内部には成膜対象物の一例である導体ワイヤ２２が配置されている。

筒状電極２０には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２４の正極側は接地されている。チャンバ１２は接地されている。直流電源２４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、チャンバ１２の内圧を上記圧力範囲で減圧しかつガス導入部１４からガスを導入し、直流電源２４の負電位を筒状電極２０に印加すると、各筒状電極２０の内部にプラズマが発生してガスが分解される。この結果、導体ワイヤ２２表面に膜が成膜される。

以上のように本プラズマ発生装置は、筒状電極を複数個並設したので、それぞれの筒状電極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。

複数の筒状電極２０は、図１５で示すように相互に分離していても、直流電源２４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２０内部にプラズマを発生させることができる。

図１４の複数の筒状電極２０はそれぞれ独立して互いの内部は連通していない状態で並設されているが、図１６で示すように複数の筒状電極２０は互いに内部で連通した状態で並設されてもよい。

筒状電極は断面円形、断面多角形、断面楕円形、その他の断面形状となしチャンバ内に多数配置してもよい。

以上のプラズマ発生装置では、各筒状電極２０内部それぞれに例えば導電性ワイヤ２２を配置し、各筒状電極２０内にプラズマを発生させるとともにその内部にガスを導入することにより導電性ワイヤ２２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。その結果、導電性ワイヤ２２を用いる製品の量産化に寄与することができる。

（プラズマ発生装置のさらに他の例）
図１７にさらにバイアス電源４０を備えたプラズマ発生装置１０のさらに他の例を示す。このバイアス電源４０は成膜対象である導電性ワイヤ２２に負極が接続され、正極がチャンバ１２に接続されて接地されている。

図１８にバイアス電源４０の電圧を横軸に導電性ワイヤ２２の表面への成膜速度を縦軸にとる図であり、図１８で示すようにバイアス電源４０の電圧を大きくするに伴い、導電性ワイヤ２２表面への成膜速度を上昇させることができる。

図１９にバイアス電源４０の電圧を横軸に導電性ワイヤ２２の表面への膜の膜質を縦軸にとる図であり、図１９で示すようにバイアス電源４０の電圧を例えば１００−２００Ｖの範囲に調整することにより上記膜質を改善することができる。

本発明にかかるプラズマ発生装置は、長尺な成膜対象に対して長尺なプラズマを発生することが可能で、圧力制御とガス種類の選定とにより、種類が異なる成膜を行うことができる。

Claims (16)

1. 装置の真空内部に、筒状電極が配置され、該筒状電極の内部にガスを導入し、かつ、該筒状電極に直流負電圧をプラズマ発生電圧として印加する構成を備えた、プラズマ発生装置。
2. 上記筒状電極の内部に成膜の種類に対応したガスを選択して導入することができるガス導入装置と、
   上記筒状電極の内圧を成膜の種類に対応して制御することができる圧力制御装置と、
   を備える、請求項１に記載のプラズマ発生装置。
3. 上記筒状電極は、コイル状、網目状、柵状および籠状のうちの少なくともいずれか１つの形状を有する周壁を備える、請求項１または２に記載のプラズマ発生装置。
4. 上記筒状電極は、両端が開口し成膜対象に対応して当該両端方向に延びた形状を有する、請求項１に記載のプラズマ発生装置。
5. 上記筒状電極が金属で構成されている、請求項１ないし４のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
6. 上記筒状電極が固体炭素で構成されている、請求項１ないし４のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
7. 上記筒状電極が断面円形である、請求項４に記載のプラズマ発生装置。
8. 上記筒状電極が断面多角形である、請求項４に記載のプラズマ発生装置。
9. 上記筒状電極に、直流負電圧と高周波電圧とを重畳した電圧を印加する構成を備える請求項１に記載のプラズマ発生装置。
10. 上記筒状電極が複数並設されている、請求項１に記載のプラズマ発生装置。
11. 上記筒状電極内部に配置される成膜対象にバイアス電圧を印加する構成を備えた請求項１に記載のプラズマ発生装置。
12. 請求項１に記載のプラズマ発生装置を用いて、
    上記筒状電極の内部に成膜対象を配置する第１ステップと、
    上記筒状電極内部を減圧制御する第２ステップと、
    上記筒状電極内部にガスを導入する第３ステップと、
    上記筒状電極に直流負電圧を印加する第４ステップと、
    を備える、成膜方法。
13. 上記成膜対象に成膜速度制御用のバイアス電圧を印加する第５ステップを含む、請求項１２に記載の成膜方法。
14. 上記成膜対象に膜質制御用のバイアス電圧を印加する第６ステップ含む、請求項１２に記載の成膜方法。
15. 上記第１ステップでは上記直流負電圧に高周波電圧を重畳する、請求項１２に記載の成膜方法。
16. 上記筒状電極の内部に成膜対象を配置し、該成膜対象を交流電源で加熱するステップを含む、請求項１２に記載の成膜方法。