(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置であって、該薄膜生成装置は、
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。
【請求項２】
請求項１に記載の磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置において、前記内部電極は、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。
【請求項３】
請求項２に記載の磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置において、前記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。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載の磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置において、前記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軸部の径よりも大きい頭部を有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。
【請求項５】
請求項２乃至請求項４の何れかに記載の磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置において、前記内部電極の中心導体は、プラズマが放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。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れかに記載の磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置において、前記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。
【請求項７】
請求項６に記載の磁化同軸プラズマ生成装置を用いる薄膜生成装置において、前記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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３１０１０１号公報
【特許文献２】特開２０１０−０５００９０号公報
【特許文献３】特開２０１４−０５１６９９号公報
【特許文献４】特開２０１４−０８８６２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【発明の効果】
【００１７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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２】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る。
【図３】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。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【符号の説明】
【００３８】
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
【図１】
0006573276.tif 000002
【図２】
0006573276.tif 000003
【図３】
0006573276.tif 000004