(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空中でカソード物質をプラズマ化させる放電型プラズマ成膜装置であって、内部を減圧可能な真空容器（１２）と、該真空容器内に配置された円柱形状のカソード（１４）と、該カソードの円形端面（１４ａ）に対向する位置に設けられたアノード（１６）と、カソードとアノードの間に直流電圧を印加する直流電源装置（１８）と、カソードの円柱面（１４ｂ）とアノードの間に発生する真空アーク放電（１９）を遮蔽するアーク遮蔽部材（２０）とを備え、
前記アーク遮蔽部材（２０）は、カソードの円柱面（１４ｂ）がアノードと直接対向するのを阻止するようにカソードの円柱面を軸方向に関し一定間隔を隔てて囲む中空円筒形の導電材であり、かつカソード及びアノードから電気的に絶縁されており、
前記カソードは、その円形端面（１４ａ）とアノードとの距離を一定に保持するように軸方向に移動可能に構成されている、
ことを特徴とする放電型プラズマ成膜装置。
【請求項２】
前記カソード（１４）は、一定の長さを有する着脱可能な円柱部材、又は連続的にアノードに向けて供給可能に構成された長尺円柱部材である、ことを特徴とする請求項１に記載の放電型プラズマ成膜装置。
【請求項３】
前記真空容器（１２）は、カソード（１４）を保持するカソードホルダー（１２ａ）と、アーク遮蔽部材（２０）を間隔を隔てて囲むカウリング部（１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ）とからなり、カソードホルダー（１２ａ）はカソード（１４）と電気的に導通し、カウリング部（１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ）は、カソード及びアノードから電気的に絶縁されている、ことを特徴とする請求項１に記載の放電型プラズマ成膜装置。
【請求項４】
前記カウリング部（１２ｂ，１２ｃ）は、中空円筒形の可撓性ベローズ（３３）を介して連結されたカウリング移動部（１２ｂ）とカウリング固定部（１２ｃ）とからなり、カウリング移動部（１２ｂ）はカウリング固定部（１２ｃ）に対してカソード（１４）の軸方向に移動可能であり、カウリング移動部（１２ｂ）は、カソード絶縁部材（１５ｃ）を介してカソードホルダー（１２ａ）に固定され、カウリング固定部（１２ｃ）は、アノード絶縁部材（３１，３２）を介してアノード側に固定されている、ことを特徴とする請求項３に記載の放電型プラズマ成膜装置。
【請求項５】
前記アーク遮蔽部材（２０）は、絶縁碍子（３５）を介して前記カウリング固定部（１２ｃ）の内側に固定されている、ことを特徴とする請求項４に記載の放電型プラズマ成膜装置。
【請求項６】
真空容器（１２）内を真空に保持し、印加磁場中でアノードとカソードの間に真空アーク放電（１９）を発生させてカソード物質のプラズマを形成する放電型プラズマ発生方法であって、
カソード及びアノードから電気的に絶縁された中空円筒形のアーク遮蔽部材（２０）でカソードの円柱面（１４ｂ）を軸方向に関し一定間隔を隔てて囲み、カソードの円柱面とアノードの間に発生する真空アーク放電（１９）を遮蔽し、
前記カソードを、その円形端面（１４ａ）とアノードとの距離が一定に保持されるように軸方向に移動させる、
ことを特徴とする放電型プラズマ発生方法。
【請求項７】
前記真空容器（１２）を、カソード（１４）を保持するカソードホルダー（１２ａ）と、アーク遮蔽部材（２０）を間隔を隔てて囲むカウリング部（１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ）で構成し、カソードホルダー（１２ａ）をカソード（１４）と電気的に導通し、カウリング部（１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ）を、カソード及びアノードから電気的に絶縁する、ことを特徴とする請求項６に記載の放電型プラズマ発生方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空中でカソード物質をプラズマ化させて成膜する放電型プラズマ成膜装置とその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
部品の高機能化のために、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ  ｃａｒｂｏｎｆｉｌｍ）やＴｉＮ，ＣＮ等の薄膜を被処理材の表面に成膜する表面加工技術が産業界で強く要望されている。例えばＤＬＣはカーボンを材料とする薄膜ダイヤモンドであり、（１）プラスチックレンズの表面にコーティングしてスクラッチ傷を防ぎ、（２）磁気ディスクの表面に成膜して読取りヘッドとの接触による磨耗を防ぎ、（３）環境問題化している湿式メッキの代替として優れた耐食性、耐磨耗性を発揮することができる。
【０００３】
上述したＤＬＣ等の成膜手段として、（１）窒素、アルゴン等のガスプラズマを用いたガスプラズマ法、（２）炭素、チタンなどのプラズマを用いたプラズマ法、及び（３）この両方を組合わせたハイブリッド法が開発されている。
このうち、ガスプラズマ法は、メタン（ＣＨ4）やアセチレン（Ｃ2Ｈ2）を原料ガスとするため、成膜中に水素（Ｈ）が残存する基本的な問題があり、このため、ＤＬＣ等の膜質の硬度が低下する。これに対して、プラズマ法では、原料（陰極材）として純粋なカーボンや金属材料を用いることができるため、硬度の高い優れた膜ができる特徴がある。本発明は、かかるプラズマ法に関するものである。
【０００４】
プラズマ法による成膜手段として、従来、アーク放電型プラズマイオン源を用いてＤＬＣ，ＴｉＮ，ＣＮ等の薄膜が生成されている。しかし従来の成膜手段では、溶けた原料（陰極材）が微細（直径１μｍ前後）の液滴（スプラッシュ、マクロパーティクル、ドロップレットと呼ぶ）となって生成膜に付着し、薄膜の品質（膜質）を悪化させる問題がある。
【０００５】
この問題を解決する手段として、例えば、特表平６−５０８２３５号、ＰＣＴ／ＦＩ９５／００６７７、等が提案されている。特表平６−５０８２３５号の「アークソース用大粒子フィルター」は、図９に示すように、円形のカソード２、円筒形のアノード３、トロイド４及び非線形のプラズマダクト５を備え、トロイド状の磁場により荷電粒子を素材８に導き、荷電していない液滴を除去するものである。なお、この図で、６は管、７は標的部域、９は磁気走査コイルである。また、ＰＣＴ／ＦＩ９５／００６７７の“ＦＯＣＵＳＩＮＧ  ＵＮＩＴ  ＦＯＲＡＮ  ＡＲＣ  ＤＩＳＣＨＡＧＥ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＵＳＥＤ  ＦＯＲ  ＰＬＡＴＩＮＧ"「メッキ用アーク放電装置のフォーカシングユニット」も、同様にブラズマビームを磁場により曲げ、同時に陰極表面に半径方向の磁場をかけることによって陰極点を陰極表面で回転させ液滴を除去するものである。
【０００６】
しかし、上述した従来のプラズマ法による成膜手段では、磁場によりプラズマを曲げて素材８に導くために、大型のトロイド４（コイル）を複数用いる必要があり、その結果、成膜効率が低下し磁場発生設備（例えばコイル）が大型化し、装置設備が非常に高価になる問題点があった。
【０００７】
この問題点を解決するために、本発明の発明者は先に、発生した金属アークプラズマを拡径する金属プラズマ拡径装置１０を備えた「金属プラズマを用いた成膜装置及び方法」を創案し出願した（特願平１１−３５４５５０号、未公開）。この発明により、高エネルギーで指向性の高い金属アークプラズマを用いて広い範囲に均一に高品質のＤＬＣ等を成膜することができ、かつ、膜質を低下させる液滴を効果的に除去することができるようになった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の放電型プラズマ成膜手段では、プラズマ源として使用する陰極（カソード）は、薄い円柱形又は円錐形のものが用いられていた。しかし、図５に例示したような薄い円柱形の陰極では、陰極容積が小さいため長時間の成膜ができない問題点があった。
【０００９】
一方、円錐形の陰極を用いる場合には、アーク放電のスポットを円錐陰極の先端部に局所化させて直流アーク放電を安定維持することができる。そのため、薄い円柱形よりは長時間成膜が継続できるものの、経過時間とアーク放電の積で陰極先端部が消耗し、陰極が円錐形であるため放電時間により陰極が急激に消耗してしまう欠点があった。
【００１０】
また、このような陰極の製作には、円柱材を旋盤等で加工するため加工時間がかかるばかりでなく、大量の切削くずが発生し、特に材料コストの陰極材料（例えば、ニッケル）では、成膜コストが上昇する問題点があった。
【００１１】
本発明はかかる問題点を同時に解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、真空アーク放電を発生させてカソード物質のプラズマを長時間安定して成膜することができる放電型プラズマ成膜装置とその方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、真空中でカソード物質をプラズマ化させる放電型プラズマ成膜装置であって、内部を減圧可能な真空容器（１２）と、該真空容器内に配置された円柱形状のカソード（１４）と、該カソードの円形端面（１４ａ）に対向する位置に設けられたアノード（１６）と、カソードとアノードの間に直流電圧を印加する直流電源装置（１８）と、カソードの円柱面（１４ｂ）とアノードの間に発生する真空アーク放電（１９）を遮蔽するアーク遮蔽部材（２０）とを備え、前記アーク遮蔽部材（２０）は、カソードの円柱面（１４ｂ）がアノードと直接対向するのを阻止するようにカソードの円柱面を軸方向に関し一定間隔を隔てて囲む中空円筒形の導電材であり、かつカソード及びアノードから電気的に絶縁されており、前記カソードは、その円形端面（１４ａ）とアノードとの距離を一定に保持するように軸方向に移動可能に構成されている、ことを特徴とする放電型プラズマ成膜装置が提供される。
【００１４】
また、真空容器（１２）内を真空に保持し、印加磁場中でアノードとカソードの間に真空アーク放電（１９）を発生させてカソード物質のプラズマを形成する放電型プラズマ発生方法であって、カソード及びアノードから電気的に絶縁された中空円筒形のアーク遮蔽部材（２０）でカソードの円柱面（１４ｂ）を軸方向に関し一定間隔を隔てて囲み、カソードの円柱面とアノードの間に発生する真空アーク放電（１９）を遮蔽し、前記カソードを、その円形端面（１４ａ）とアノードとの距離が一定に保持されるように軸方向に移動させる、ことを特徴とする放電型プラズマ発生方法が提供される。
【００１５】
上記本発明の装置及び方法によれば、アーク遮蔽部材（２０）がアノード及びカソードから電気的に絶縁されてその中間位置に位置するので、アーク遮蔽部材の電位はアノードとカソードの中間電位となり、真空アーク放電（１９）を電位差の大きいカソードとアノードの間のみに発生させることができる。
【００１６】
また、アーク遮蔽部材は、カソードの円柱面（１４ｂ）がアノードと直接対向するのを阻止するようにカソードの円柱面を軸方向に関し一定間隔を隔てて囲むので、カソードの円柱面（１４ｂ）とアノードの間に発生する真空アーク放電（１９）を遮蔽することができる。
【００１７】
従って、真空容器（１２）内を真空に保持し、印加磁場中でアノードとカソードの円形端面（１４ａ）との間のみに真空アーク放電（１９）を発生させてカソード物質のプラズマを形成することができ、カソードは円柱形を保持したまま徐々に短くなるだけなので、放電状態の変化が少なくカソード物質のプラズマ化を長時間安定して行うことができる。
【００１８】
また、前記カソード（１４）は、一定の長さを有する着脱可能な円柱部材、又は連続的にアノードに向けて供給可能に構成された長尺円柱部材であるのがよい。
一定の長さを有する着脱可能な円柱部材でカソードを構成すれば、この長さ分のカソード物質のプラズマ化が安定してできる。また、連続的にアノードに向けて供給可能に構成された長尺円柱部材でカソードを構成すれば、カソードの円形端面（１４ａ）の位置が一定に保持できるので、この面とアノードとの間に長時間安定して同一条件でプラズマを発生させることができる。
【００１９】
本発明の好ましい別の実施形態によれば、前記真空容器（１２）は、カソード（１４）を保持するカソードホルダー（１２ａ）と、アーク遮蔽部材（２０）を間隔を隔てて囲むカウリング部（１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ）とからなり、カソードホルダー（１２ａ）はカソード（１４）と電気的に導通し、カウリング部（１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ）は、カソード及びアノードから電気的に絶縁されている。
また、前記真空容器（１２）を、カソード（１４）を保持するカソードホルダー（１２ａ）と、アーク遮蔽部材（２０）を間隔を隔てて囲むカウリング部（１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ）で構成し、カソードホルダー（１２ａ）をカソード（１４）と電気的に導通し、カウリング部（１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ）を、カソード及びアノードから電気的に絶縁する。
【００２０】
この構成及び方法により、アーク遮蔽部材（２０）を間隔を隔てて囲むカウリング部（１２ｂ，１２ｃ）がカソード及びアノードから電気的に絶縁されるので、アーク遮蔽部材（２０）と共にそのまわりのカウリング部（１２ｂ，１２ｃ）も電位がアノードとカソードの中間電位となり、真空アーク放電（１９）を電位差の大きいカソードとアノードの間のみに更に安定して発生させることができる。
【００２１】
また、前記カウリング部（１２ｂ，１２ｃ）は、中空円筒形の可撓性ベローズ（３３）を介して連結されたカウリング移動部（１２ｂ）とカウリング固定部（１２ｃ）とからなり、カウリング移動部（１２ｂ）はカウリング固定部（１２ｃ）に対してカソード（１４）の軸方向に移動可能であり、カウリング移動部（１２ｂ）は、カソード絶縁部材（１５ｃ）を介してカソードホルダー（１２ａ）に固定され、カウリング固定部（１２ｃ）は、アノード絶縁部材（３１，３２）を介してアノード側に固定されている。
【００２２】
この構成により、カウリング部（１２ｂ，１２ｃ）をカソード及びアノードから電気的に絶縁したままで、カウリング移動部（１２ｂ）をカウリング固定部（１２ｃ）に対してカソード（１４）の軸方向に移動させることで、カソードの円形端面（１４ａ）の位置を一定に保持でき、この面とアノードとの間に長時間安定して同一条件でプラズマを発生させることができる。
【００２３】
前記アーク遮蔽部材（２０）は、絶縁碍子（３５）を介して前記カウリング固定部（１２ｃ）の内側に固定されている。
この構成により、アーク遮蔽部材（２０）をカウリング部（１２ｂ，１２ｃ）から絶縁して支持でき、アーク遮蔽部材（２０）とカソード及びアノードとの電気的な絶縁性能を更に高めることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図１は、本発明の放電型プラズマ成膜装置の第１実施形態の全体構成図である。本発明の放電型プラズマ成膜装置１０は、真空容器１２、カソード１４、アノード１６、直流電源装置１８及びアーク遮蔽部材２０を備え、真空中でカソード物質をプラズマ化させるようになっている。
【００２５】
真空容器１２は、互いに連通した第１チャンバー２２と第２チャンバー２３からなる。第１チャンバー２２と第２チャンバー２３は、中空の導管２４で連通する。また、第２チャンバー２３内は、図示しない真空装置により真空排気され、これにより、カソードが蒸発してプラズマが発生する第１チャンバー２２よりも第２チャンバー２３の圧力が低くなるように差動排気する。
【００２６】
カソード１４は、円柱形状の成膜材料（例えば、カーボン、Ｔｉ等）からなり、真空容器１２のカソードホルダー１２ａ内に配置され、かつ直流電源装置１８により負に印加される。
アノード１６は、導電性材料（例えば銅又は銅合金）からなり、カソード１４に対向する位置（例えば導管２４）に取付られ、その中央に第２チャンバー２３に通じる貫通孔を有している。アノード１６は、直流電源装置１８により正に印加される。
直流電源装置１８は、カソード１４を負にアノード１６を正に印加しその間に真空アーク放電１９を起こさせるようになっている。
【００２７】
図１において、本発明の成膜装置１０は、更に被処理材１を負に印加して金属プラズマからイオンを蓄積させるバイアス電源２９と、第１チャンバー２２及び第２チャンバー２３内に発生するプラズマを少なくとも一時的に封じ込める磁場を発生させる磁場発生装置３０とを備えている。
成膜チャンバー２７は、例えば、マルチカスプ磁場を形成するための複数の永久磁石と、ミラー磁場を形成するための空心コイルとからなり、これらの２つの磁場により、プラズマ閉じ込め空間を形成するようになっている（図示せず）。なお、磁場発生装置３０は、かかる構成に限定されず、例えば、特開平５−１０１７９９号に開示したような種々の構成のものであってもよい。
【００２８】
被処理材１は、成膜チャンバー２７内に収容され、内部を真空（例えば１０-5〜１０-6Ｔｏｒｒ）に保持される。また、被処理材１を保持するホルダー２８はバイアス電源２９により−１００Ｖ〜−１０００Ｖ程度に印加され、プラスに帯電したプラズマ２１中のイオンによる成膜効率を高めるようになっている。
【００２９】
バイアス電源２９は、好ましくは、直流パルス電源であるのがよい。この理由を以下に説明する。
プラズマ２１中に配置された被処理材１に負の高圧パルスが印加された時、プラズマ中の電子は被処理材１から斥けられ、金属イオンが被処理材１に引き込まれる。電子とイオンの質量差から電子は被処理材１から急激に遠ざかり、金属イオンと被処理材１の間には取り残された金属イオンのみが存在するイオンシースが形成される。負の印加高圧パルスのほとんどはこのイオンシースに加わり、その高電界により金属イオンは被処理材１に向かって加速される。このことはイオンシースのシースエッジが被処理材１から離れていくことであり、それと同時にシース内に金属プラズマより金属イオンが引き込まれる。
【００３０】
上述した構成により、放電型プラズマ成膜装置１０により、真空容器１２内を真空に保持し、印加磁場中でアノードとカソードの間に真空アーク放電１９を発生させてカソード物質のプラズマ２１を形成することができる。更に発生したプラズマ２１から磁場発生装置３０とバイアス電源２９により、プラスイオン（金属イオン）を抽出し、被処理材１に照射し成膜することができる。
【００３１】
また上述した装置は以下のように使用される。すなわち、真空チャンバー２２、２３内にガスを入れて真空（例えば１０-2〜１０-4Ｔｏｒｒ）に保持し、アノード１６とカソード１４との間に真空アーク放電１９を発生させてカソード物質のプラズマを形成し、その後ガスを遮断して真空チャンバー２２、２３内の真空度を１０-5〜１０-6Ｔｏｒｒに保ち、磁場発生装置３０による磁場によりプラズマを一時的に封じ込め、バイアス電極２９による電界によりプラズマ２１から所望するイオンを基板上に蓄積させる。
【００３２】
図２は、図１のＡ部の拡大図である。この図において、カソード１４は、一定の長さを有する着脱可能な円柱部材、１７はカソード１４をネジ等で固定して保持するカソード保持電極、１５ａ，１５ｂはカソード絶縁部材である。アーク遮蔽部材２０は、カソード１４の円柱面１４ｂがアノード１６と直接対向するのを阻止するようにカソードの円柱面を間隔を隔てて囲む中空円筒形の導電材（例えば金属管）である。このアーク遮蔽部材２０は、カソード絶縁部材１５ａ，１５ｂを介してカソード１４及びアノード１６から電気的に絶縁されている。
【００３３】
従って、アーク遮蔽部材２０の電位はアノードとカソードの中間電位となり、かつ電気的に絶縁されているので、真空アーク放電１９を電位差の大きいカソード１４とアノード１６の間のみに発生させることができる。また、アーク遮蔽部材２０は、カソード１４の円柱面１４ｂがアノード１６と直接対向するのを阻止するように位置しているので、真空アーク放電１９はカソードの端面１４ａとアノード１６との間に限定され、カソードの円柱面１４ｂとアノードの間に発生する真空アーク放電を実質的に遮蔽することができる。
【００３４】
図３は、本発明の放電型プラズマ成膜装置の第２実施形態の構成図である。この図も、図１のＡ部に相当する部分を示している。この図において、カソード１４は、図示しない供給装置により連続的にアノード１６に向けて供給可能に構成された長尺円柱部材である。この場合、カソードの端面１４ａは、アノード１６からの距離をほぼ一定に保持するようになっている。その他の構成は、図２と同様である。
【００３５】
また、本発明の放電型プラズマ成膜方法によれば、上述したように、カソード１４及びアノード１６から電気的に絶縁されたアーク遮蔽部材２０でカソード１４の円柱面１４ｂを間隔を隔てて囲み、カソード１４の円柱面１４ｂとアノード１６の間に発生する真空アーク放電１９を遮蔽して、真空アーク放電１９をカソード１４の端面１４ａとアノード１６との間に制限する。
【００３６】
上述した本発明の装置及び方法によれば、真空容器１２内を真空に保持し、印加磁場中でアノードとカソードの円形端面１４ａとの間のみに真空アーク放電１９を発生させてカソード物質のプラズマを形成することができる。この放電により、カソード１４は円柱形を保持したまま徐々に短くなるだけなので、放電状態の変化が少なくカソード物質のプラズマ化を長時間安定して行うことができる。
【００３７】
また、図１及び図２に示したように、一定の長さを有する着脱可能な円柱部材でカソード１４を構成すれば、この長さ分のカソード物質のプラズマ化が安定してできる。
また、図３に示したように、連続的にアノード１６に向けて供給可能に構成された長尺円柱部材でカソード１４を構成すれば、カソードの円形端面１４ａの位置が一定に保持できるので、この面とアノードとの間に長時間安定して同一条件でプラズマを発生させることができる。
【００３８】
図４は、本発明の放電型プラズマ成膜装置の第３実施形態の構成図である。この図も、図１のＡ部に相当する部分を示している。この図において、真空容器１２は、カソード１４を保持するカソードホルダー１２ａと、アーク遮蔽部材２０を半径方向に間隔を隔てて囲むカウリング部１２ｂ，１２ｃとからなる。
【００３９】
カソード１４は、その末端部に設けられた雄ネジ部でカソード保持電極１７に固定される。カソード保持電極１７は内部に中空部を有し、その中空部に冷却水を通して冷却し、カソード１４を使用中の過熱から保護するようになっている。また、カソード保持電極１７に設けられたフランジ部がカソードホルダー１２ａにボルト等で固定され、カソードホルダー１２ａとカソード１４は電気的に導通している。この構成により、カソードホルダー１２ａを直流電源装置１８の負極と電気的に接続することにより、カソード１４を負に印加することができる。
【００４０】
この例において、カウリング部１２ｂ，１２ｃは、中空円筒形の可撓性ベローズ３３を介して連結されたカウリング移動部１２ｂとカウリング固定部１２ｃとからなる。カウリング移動部１２ｂとカウリング固定部１２ｃは金属製であり、金属製のベローズ３３の両端部が溶接等により気密に接合されている。また、カウリング移動部１２ｂとカウリング固定部１２ｃの間隔を調整する金属製のボルト３４により、カウリング移動部１２ｂをカウリング固定部１２ｃに対してカソード１４の軸方向に移動できるようになっている。この移動は、カウリング移動部１２ｂと共に移動するカソード１４の円形端面１４ａの位置を、カソード１４の消耗に応じて一定に保持するように行うのがよい。なお、カウリング移動部１２ｂの移動は、この例ではボルトとナットの螺合によるが、パルスシリンダやステッピングモータを用いて正確に移動できるようにしてもよい。
【００４１】
カウリング移動部１２ｂは、カソード絶縁部材１５ｃを介してカソードホルダー１２ａに固定されている。カソード絶縁部材１５ｃは、例えば円板状のテフロン（登録商標）であり、絶縁性ボルト１３（例えばベーク材のボルト）でカウリング移動部１２ｂとカソードホルダー１２ａの間に挟持される。また、カウリング移動部１２ｂの内縁部とカソード保持電極１７との間には、中空円筒形のカソード絶縁部材１５ａが嵌め込まれ、カソード保持電極１７の先端（図で左端）とカソード１４の末端部には中空円筒形のカソード絶縁部材１５ｂが嵌まり、カソード１４の末端部とカソード保持電極１７の先端部が第１チャンバー２２内に露出しないようになっている。カソード絶縁部材１５ａは例えば強度の高いアルミナ材であり、カソード絶縁部材１５ｂは例えば耐熱性の高い窒化ボロン材（ＢＮ）であるのがよい。
【００４２】
この構成により、カウリング部１２ｂ，１２ｃをカソードから電気的に絶縁するとともに、カソード１４の末端部とカソード保持電極１７の先端部からの放電を本質的に防止することができる。
【００４３】
また、カウリング固定部１２ｃは、アノード絶縁部材３１，３２を介してアノード側に固定されている。アノード絶縁部材３１は、この例では、中空円筒形のアルミナであり、アノード絶縁部材３２はこの例では絶縁性ボルト（例えばベーク材のボルト）である。絶縁性ボルト３２によりアノード絶縁部材３１がカウリング固定部１２ｃと導管２４のフランジ部との間に挟持される。また、アノード絶縁部材３１の両端面がＯリング３６により、カウリング固定部１２ｃと導管２４のフランジ部との間を気密にシールされている。
この構成により、カウリング部１２ｂ，１２ｃ及びベローズ３３をアノード及びカソードから電気的に絶縁し、アーク遮蔽部材２０と共にそのまわりのカウリング部１２ｂ，１２ｃの電位もアノードとカソードの中間電位とすることができ、真空アーク放電１９を電位差の大きいカソードとアノードの間のみに更に安定して発生させることができる。
【００４４】
更に、この例では、アーク遮蔽部材２０は、周方向に複数個（例えば４個）設けられた絶縁碍子３５を介して、カウリング固定部１２ｃの内側に固定されている。なお、その他の構成は、図２と同様である。
この構成により、前述のようにカウリング固定部１２ｃは、アノード及びカソードから電気的に絶縁されており、更に絶縁碍子３５を介してアーク遮蔽部材２０が固定されているので、アーク遮蔽部材２０とカソード１４及びアノード１６との電気的な絶縁性能を更に高めることができる。
【００４５】
図５は、本発明の放電型プラズマ成膜装置の第４実施形態の構成図である。この図も、図１のＡ部に相当する部分を示している。
この図において、真空容器１２は、カソード１４を保持するカソードホルダー１２ａと、アーク遮蔽部材２０を半径方向に間隔を隔てて囲む金属製のカウリング部１２ｄとからなる。この例では、カウリング部１２ｄは、カウリング固定部のみからなる。
【００４６】
カウリング部１２ｄ（カウリング固定部）は、カソード絶縁部材１５ａを介してカソードホルダー１２ａに固定されている。カソード絶縁部材１５ａは、例えば円筒形のアルミナ材であり、絶縁ロッド１５ｄ（例えばベーク材製）とボルト２５でカウリング部１２ｄとカソードホルダー１２ａの間に挟持される。また、カソード絶縁部材１５ａの両端部はＯリング３６で気密にシールされる。
この例において、カソードホルダー１２ａは、第３実施形態（図４）におけるカソード保持電極１７の役割も担っている。すなわち、カソード１４は、その末端部に設けられた雄ネジ部でカソードホルダー１２ａに直接固定される。また、カソードホルダー１２ａは内部に中空部を有し、その中空部に冷却水を通して冷却し、カソード１４を使用中の過熱から保護するようになっている。
この構成によりカソードホルダー１２ａがカソード１４に電気的に導通し、カソードホルダー１２ａを直流電源装置１８の負極と電気的に接続することにより、カソード１４を負に印加することができる。
【００４７】
また、カソードホルダー１２ａとカソード１４の末端部の間には平板状のカソード絶縁部材１５ｂが嵌まり、カソード絶縁部材１５ａの末端部とカソードホルダー１２ａとの間には、中空円筒形のカソード絶縁部材１５ｃが嵌まり、カソードホルダー１２ａが第１チャンバー２２内に露出しないようになっている。カソード絶縁部材１５ｂは例えば耐熱性の高い窒化ボロン材（ＢＮ）であり、カソード絶縁部材１５ｃは例えばテフロン材であるのがよい。
【００４８】
この構成により、カウリング部１２ｄをカソード１４から電気的に絶縁するとともに、カソード１４の末端部とカソードホルダー１２ａからの放電を本質的に防止することができる。
【００４９】
また、カウリング部１２ｄは、アノード絶縁部材３１，３２を介してアノード側の導管２４に固定されている。アノード絶縁部材３１は、この例では、中空円筒形のテフロン材であり、アノード絶縁部材３２はこの例では絶縁性ボルト（例えばベーク材のボルト）である。絶縁性ボルト３２によりアノード絶縁部材３１がカウリング固定部１２ｄと導管２４のフランジ部との間に挟持される。また、アノード絶縁部材３１の両端面がＯリング３６により、カウリング部１２ｄと導管２４のフランジ部との間を気密にシールされている。
この構成により、カウリング部１２ｄをアノード及びカソードから電気的に絶縁し、アーク遮蔽部材２０と共にそのまわりのカウリング部１２ｄの電位もアノードとカソードの中間電位とすることができ、真空アーク放電１９を電位差の大きいカソードとアノードの間のみに更に安定して発生させることができる。
【００５０】
更に、この例では、アノード絶縁部材３１は、２枚の金属板３７ａ，３７ｂの間に挟持され、かつその内側に金属製の遮熱リング３８ａ，３８ｂが二重に設けられ、過熱されたアノード１６からの輻射熱を遮り、アノード絶縁部材３１を保護するようになっている。また、アーク遮蔽部材２０は、カソード絶縁部材１５ｂと金属板３７ｂの間に軸方向に挟持され、アノードとカソードの中間電位となるように固定されている。なお、その他の構成は、図２と同様である。
【００５１】
図６は、本発明の放電型プラズマ成膜装置の第５実施形態の構成図であり、図７は、第６実施形態の構成図である。これらの図も、図１のＡ部に相当する部分を示している。
図６及び図７において、真空容器１２は、カソード１４を保持するカソードホルダー１２ａと、アーク遮蔽部材２０を半径方向に間隔を隔てて囲む金属製のカウリング部１２ｅとからなる。この例では、カウリング部１２ｅは、カウリング固定部のみからなる。
【００５２】
カウリング部１２ｅ（カウリング固定部）は、カソード絶縁部材１５ｃを介してカソードホルダー１２ａに固定されている。すなわちこの例で、カソード絶縁部材１５ｃは、円板状のテフロン材であり、ボルト２５でカウリング部１２ｅと連結され、カソードホルダー１２ａも図示しないボルトによりカソード絶縁部材１５ｃに取り付けられる。カソード絶縁部材１５ｃとカウリング部１２ｅ及びカソードホルダー１２ａの間は、Ｏリング３６で気密にシールされる。
この例でも、カソードホルダー１２ａは、第３実施形態（図４）におけるカソード保持電極１７の役割も担っている。すなわち、カソード１４は、その末端部に設けられた雄ネジ部でカソードホルダー１２ａに直接固定される。また、カソードホルダー１２ａは内部に中空部を有し、その中空部に冷却水を通して冷却し、カソード１４を使用中の過熱から保護するようになっている。また、カウリング部１２ｅもこの例では中空部を有し、その中空部に冷却水を通して冷却し、使用中の過熱から保護するようになっている。
この構成によりカソードホルダー１２ａがカソード１４に電気的に導通し、カソードホルダー１２ａを直流電源装置１８の負極と電気的に接続することにより、カソード１４を負に印加することができる。
【００５３】
図６において、カソードホルダー１２ａとカソード１４の末端部の間にはリング状のカソード絶縁部材１５ｂが嵌まり、カウリング部１２ｅの内側には軸方向に２分割された中空円筒形のカソード絶縁部材１５ａが嵌まり、その内側に中空円筒形のアーク遮蔽部材２０が嵌まるようになっている。更にこの例では、アーク遮蔽部材２０の先端部にフランジ部が設けられ、このフランジ部がボルト３９によりカソード絶縁部材１５ａを軸方向に貫通してカソード絶縁部材１５ｃに固定される。
【００５４】
また、図７において、カソードホルダー１２ａとカソード１４の末端部の間にはリング状のカソード絶縁部材１５ｂが嵌まり、カウリング部１２ｅの内側には中空円筒形のアーク遮蔽部材２０が直接嵌まるようになっている。更にこの例では、アーク遮蔽部材２０の末端部にフランジ部が設けられ、このフランジ部がボルト３９によりカソード絶縁部材１５ｃに固定される。
【００５５】
図６及び図７において、カソード絶縁部材１５ｂは例えば耐熱性の高い窒化ボロン材（ＢＮ）であり、カソード絶縁部材１５ａは例えばアルミナ材であるのがよい。
【００５６】
これらの構成により、カウリング部１２ｅをカソード１４から電気的に絶縁するとともに、カソード１４の末端部とカソードホルダー１２ａからの放電を本質的に防止することができる。
【００５７】
また、図６及び図７において、カウリング部１２ｅは、アノード絶縁部材３１，３２を介してアノード側の導管２４に固定されている。この構成は、図５の第４実施形態と同様である。また、その他の構成は、図２と同様である。
この構成により、カウリング部１２ｅをアノード及びカソードから電気的に絶縁し、アーク遮蔽部材２０と共にそのまわりのカウリング部１２ｅの電位もアノードとカソードの中間電位とすることができ、真空アーク放電１９を電位差の大きいカソードとアノードの間のみに更に安定して発生させることができる。
【００５８】
【実施例】
図８は、本発明の実施例におけるカソードの消耗状態を示す模式図である。この図において、（Ａ）は従来の円錐形のカソードの場合の使用前ａと使用後ｂ、（Ｂ）は従来の装置における円柱形カソードの使用前ａと使用後ｂ１，ｂ２、（Ｃ）は本発明における円柱形カソードの使用前ａと使用後ｂを示している。
【００５９】
図８（Ａ）に示すように、従来の円錐形の陰極（カソード）では、先端部に局所化させて直流アーク放電を安定維持することができが、陰極が円錐形であるため放電時間により陰極が短時間に急激に消耗してしまう欠点があった。
また、図８（Ｂ）に示すように、従来の装置に円柱形カソードを適用した場合には、直流アーク放電を先端部に局所化させて安定維持することができず、円柱形カソードの側面との間でも放電がおきて消耗するため、円錐形の場合よりも短時間した成膜ができなかった。
【００６０】
これに対して、図８（Ｃ）に示すように、本発明の装置及び方法では、アノード１６とカソード１４の円形端面１４ａとの間のみに真空アーク放電１９を局所化させて発生させ、カソード物質のプラズマ形成を長時間継続させることができることが確認された。なおこの試験は、カーボン、銅、チタンで成功している。
【００６１】
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００６２】
【発明の効果】
上述したように、本発明は、円柱状の丸棒をそのまま陰極として使用し、先端部の円形断面部にのみプラズマスポットを局所化させ円柱形状を保ったまま金属円柱をプラズマ化するものである。
従って、本発明の放電型プラズマ成膜装置とその方法は、真空アーク放電を発生させてカソード物質のプラズマを長時間安定して成膜することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放電型プラズマ成膜装置の第１実施形態の全体構成図である。
【図２】図１のＡ部の拡大図である。
【図３】本発明の放電型プラズマ成膜装置の第２実施形態の構成図である。
【図４】本発明の放電型プラズマ成膜装置の第３実施形態の構成図である。
【図５】本発明の放電型プラズマ成膜装置の第４実施形態の構成図である。
【図６】本発明の放電型プラズマ成膜装置の第５実施形態の構成図である。
【図７】本発明の放電型プラズマ成膜装置の第６実施形態の構成図である。
【図８】カソードの消耗状態を示す模式図である。
【図９】従来の成膜装置の構成図である。
【符号の説明】
１  被処理材、２  カソード、３  アノード、４  トロイド、
５  プラズマダクト、６  管、７  標的部域、８  素材、
９  磁気走査コイル、１０  放電型プラズマ成膜装置、
１２  真空容器、１２ａ  カソードホルダー、
１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ  カウリング部、
１３  絶縁性ボルト、１４  カソード、
１４ａ  円形端面、１４ｂ  円柱面、
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ  カソード絶縁部材、
１５ｄ  絶縁ロッド、１６  アノード、
１７  カソード保持電極、１８  電源装置、
１９  真空アーク放電、２０  アーク遮蔽部材、
２１  プラズマ、２２  第１チャンバー、２３  第２チャンバー、
２４  導管、２７  成膜チャンバー、２８  ホルダー、
２９  バイアス電源（直流電源）、３０  磁場発生装置
３１，３２  アノード絶縁部材、３３  ベローズ、
３４  ボルト、３５  絶縁碍子、３６  Ｏリング、
３７ａ，３７ｂ  金属板、３８ａ，３８ｂ  遮熱リング、
３９  ボルト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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