(57)【要約】      （修正有）【課題】分解ガス中の炭素成分が陰極の電極面や冷却板の絶縁膜に堆積されても当該炭素成分に電子がチャージアップすることを防止して陰極の電極面や絶縁膜からの異常放電の発生を抑制し、電界電子放出源として膜厚均一かつ高品質な膜質を持つ性能に優れた炭素膜を成膜することができる直流プラズマ成膜装置を提供すること。【解決手段】真空成膜室１０内部に陰極１２と陽極１４とをその両電極面を対向させて配置し、陰極１２を冷却板１６の略中央に設定された陰極搭載領域１６ａに搭載すると共に当該冷却板１６における陰極搭載領域１６ａの外周を環状に囲む外周領域１６ｂ上に絶縁膜１８が環状に形成されている直流プラズマ成膜装置において、陰極１２がモリブデン材で構成されていると共に絶縁膜１８上にモリブデン材からなる放電防止材３６が設けられている構成。【選択図】図１
2008150681.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空成膜室の内部に陰極と陽極とをその両電極面を平行に対向して配置し、陰極を少なくともその陰極側表面が絶縁膜で被覆された冷却板上に搭載した直流プラズマ成膜装置において、上記陰極の少なくともその電極面をモリブデン材で構成するかまたは該陰極の少なくともその電極面にモリブデン材を被着すると共に上記絶縁膜上にモリブデン材からなる放電防止材が設けられている、ことを特徴とする直流プラズマ成膜装置。
【請求項２】
上記陰極は、その全体がモリブデン材で構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の直流プラズマ成膜装置。
【請求項３】
上記放電防止材が、冷却板の陰極搭載領域と外周領域とを含む盤状や板状等の形状に構成され、冷却板と陰極との間に介装されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の直流プラズマ成膜装置。
【請求項４】
上記放電防止材が、絶縁膜を覆う環状板形状に構成されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の直流プラズマ成膜装置。
【請求項５】
上記陰極と上記放電防止材とが一体化されている、ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の直流プラズマ成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、陰極に直流負電圧を印加して陽極の電極面近傍に直流プラズマを発生させて炭素膜成膜用のガスを分解して当該陽極の電極面上に基板裏面を向けて配置した基板の表面に電界電子放出源として電界電子放出性能を有する、サイズがｎｍオーダーの炭素膜を成膜する直流プラズマ成膜（ＣＶＤ）装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図７を参照して従来の直流プラズマ成膜装置を説明すると、従来の直流プラズマ成膜装置では、真空成膜室１０を有する。この真空成膜室１０内の所定位置に陰極１２と陽極１４とを互いの電極面１２ａ，１４ａが所定間隔を隔てて平行に対向するよう配置する。
【０００３】
陰極１２の裏面１２ｂにＳＵＳ等の金属製である冷却板１６が熱伝導結合状態に密着配置される。冷却板１６は陰極１２を熱伝導で冷却するためのものであり、陰極１２よりも平面寸法が大きくまた板厚も厚く構成されて冷却容量が大きく構成されている。
【０００４】
冷却板１６は、陰極１２が搭載される面においてその略中央領域が陰極搭載領域１６ａとされ、その陰極搭載領域１６ａの外側に外周領域１６ｂがある。冷却板１６は陰極１２と陽極１４との間にのみプラズマが発生させるため例えばセラミックによる絶縁膜１８が陰極搭載領域１６ａを除く外周面に形成されている。
【０００５】
陰極１２の材料にはＳＵＳ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属が用いられている。真空成膜室１０は接地される。陽極１４は接地され、陰極１２には直流電源２０の負極が接続される。直流電源２０の正極は電源スイッチ２２を介して接地される。電源スイッチ２２が閉じられると、陰極１２には直流負電圧が印加されるようになっている。また、真空成膜室１０にはガス導入系２４と、真空排気系２６とが接続されている。
【０００６】
以上の構成を有する直流プラズマ成膜装置においては、真空成膜室１０の内圧は真空排気系２６により所要の真空圧に制御され、また真空成膜室１０内部にはガス導入系２４により原料ガスとしての炭化水素とキャリアガスとしての水素との混合ガスが導入される。
【０００７】
この状態で陰極１２に直流電源２０から直流負電圧が印加されると、陽極１４の電極面１４ａ上近傍にプラズマ２８が発生する。混合ガスはこのプラズマ２８により分解され、これによって分解されたガス中の炭素成分が、陽極１４の電極面１４ａ上にその基板裏面を向けて配置された基板３０の表面に、堆積され、その結果、当該基板３０表面に電界電子放出源となる炭素膜が成膜されるようになっている。
【０００８】
しかしながら、上記直流プラズマ成膜装置では真空成膜室１０内の圧力が上記所要の真空度未満の低圧時には図８で示すように陰極１２と陽極１３との間のプラズマ２８のみではなく冷却板１６の外周領域１６ｂ上にもプラズマ２９が広がって発生している。
【０００９】
そのためプラズマ２８，２９により分解されたガス中の炭素成分の一部３２，３３が陰極１２の電極面１２ａやその側面１２ｃ、絶縁膜１８にも縞状等に堆積される。
【００１０】
この場合、従来では陰極１２の材料にＳＵＳ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属が用いられているので、電極面１２ａや側面１２ｃに堆積された炭素成分３２は非導電性になっている。また、絶縁膜１８上にも縞状に堆積した炭素成分３３も非導電性になっている。
【００１１】
このとき、炭素成分３２，３３が非導電性であるために当該炭素成分３２，３３には電子がチャージアップされる。そして真空成膜室１０内圧力が低圧の時に低密度で大きく生成されていたプラズマ２８，２９は該圧力が上昇すると縮小して小さくなる。
【００１２】
そして、上記炭素成分３２，３３への電子のチャージアップ量が閾値を超えるとチャージアップ電子が陽極１４の電極面１４ａに向けて放電（アーク放電）３４，３５することがある。
【００１３】
そして、この異常放電３４，３５が強いときは図９で示すようにプラズマ２８が消失したり、異常放電３４，３５が部分的に発生するときは図１０で示すようにプラズマ２８が変形したり、また、異常放電３４，３５が弱い場合は図１１で示すようにプラズマ２８が縮小したりする。
【００１４】
上記した異常放電３４，３５は基板３０表面に炭素膜が成膜されなくなったり不均一に成膜されたりして炭素膜品質が低下する結果、炭素膜の電界電子放出源としての性能に影響してしまう。なお、直流プラズマ成膜装置として特許文献１等が提供されている。
【特許文献１】特開２００６−２８３９７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
そこで本発明は、上記した異常放電の発生を抑制して電界電子放出源として膜厚均一かつ高品質な膜質を持つ性能に優れた炭素膜の成膜を可能とする直流プラズマ成膜装置を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る直流プラズマ成膜装置は、真空成膜室内部に陰極と陽極とをその両電極面を対向させて配置し、陰極を冷却板の略中央に設定された陰極搭載領域に搭載すると共に当該冷却板における陰極搭載領域の外周を環状に囲む外周領域上に絶縁膜が環状に形成されている直流プラズマ成膜装置において、上記陰極の少なくともその電極面をモリブデン材で構成するかまたは該陰極の少なくともその電極面にモリブデン材を被着すると共に上記絶縁膜上にモリブデン材からなる放電防止材が設けられていることを特徴とするものである。
【００１７】
上記陰極はその電極面のみをモリブデン材で構成する場合、その電極面および側面をモリブデン材で構成する場合、陰極全体をモリブデン材で構成する場合のいずれも含む。上記陰極をモリブデン材で構成するのではなくその電極面にのみ、あるいは電極面および側面にモリブデン材を被着してもよい。
【００１８】
上記絶縁膜上の放電防止材は、陰極搭載領域と陰極裏面との間から絶縁膜外周縁に至る盤状（円盤状等）や陰極搭載領域の外周縁を内径とし絶縁膜外周縁を外径とする環状としてもよい。上記放電防止材は半径方向に一定厚さの形状でも漸次厚さが減少する形状でもよい。
【００１９】
上記陰極を構成するモリブデン材と放電防止材は一体化の場合も別体の場合も含むことができる。
【００２０】
陰極の裏面の平面視形状（平面方向から視た場合の形状）は円形、矩形のいずれも含み、冷却板の表面の平面視形状は円形、矩形のいずれも含む。
【００２１】
上記陰極の平面視形状、冷却板の平面視形状に応じて放電防止材の平面形状も種々であり、例えば円板状、矩形板状、円盤状、矩形盤状、環状板状、等である。
【００２２】
上記モリブデン材はモリブデンのみからなる材料に限定されず、モリブデンが高純度に含んでいれば他の金属との合金も含むことができる。
【００２３】
上記絶縁膜の膜材は特に限定しないが好ましくはセラミックである。
【００２４】
この直流プラズマ成膜装置では陽極を接地すると共に陰極に直流負電圧を印加し陰極と陽極との間の空間にプラズマを生成した際に、所定の真空圧に減圧されている真空成膜室に導入したガスがそのプラズマにより分解され、この分解で生成した炭素成分は陽極上に配置した基板の表面に電界電子放出源として成膜するようになっている。
【００２５】
そして、この場合、真空成膜室の内圧が上記所定の真空圧以下の低圧のときでも陰極と陽極との間だけでなく放電防止材上にも低密度のプラズマが発生しており、このプラズマによりガスが分解されて炭素成分が生成しその炭素成分の一部が陰極の外周面や放電防止材に縞状に堆積してくる。そして真空成膜室内圧が上記所定の真空圧に到達するようになると、上記プラズマが縮小し、陽極の電極面近傍に高密度のプラズマが生成されてくる。このとき、上記縞状に堆積した炭素成分は、陰極や放電防止材がモリブデン材で構成されていて導電性を持つようになっているので、電子はこの縞状の炭素成分にチャージアップされずに済み、このチャージアップされた電子により陽極の電極面上に配置した基板の成膜に影響することがなくなる。
【００２６】
したがって、本発明では陰極や上記絶縁膜上の放電防止材がモリブデン材で構成されているので、基板表面には陽極の電極面近傍のプラズマにより分解された炭素成分が膜厚均一かつ高品質な膜質で堆積されて電界電子放出源として性能に優れた炭素膜が成膜されるようになる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、電界電子放出源としての炭素膜を基板表面に均等な膜厚でかつ高品質に成膜することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
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直流プラズマ成膜装置を説明する。図１は実施の形態の直流プラズマ成膜装置の構成を示す断面図である。同図において１０は真空成膜室、１２は陰極、１４は陽極、１６は冷却板、１８は絶縁膜、２０は直流電源、２２は電源スイッチ、２４はガス導入系、２６は真空排気系、２８は成膜プラズマ、３０は基板である。上記基板３０はその形状に限定されず、例えば断面円形に限らず、楕円や矩形等の非円形を含む。上記基板３０は平板状の基板、線状の基板等を含む。線状とはその直径の大きさを限定しないものでありワイヤ状の概念を含むことができる。
【００２９】
以上の構成において上記直流プラズマ成膜装置では、陰極１２の全体をモリブデン材で構成すると共に陰極１２と冷却板１６との間に盤形状のモリブデン材からなる放電防止材３６を配置したことを特徴とするものである。
【００３０】
上記では陰極１２の全体がモリブデン材で構成されているが、陰極１２の電極面１２ａのみ、あるいは電極面１２ａおよび側面１２ｃを所定厚さを有するモリブデン材で構成するか、陰極１２の電極面１２ａ上、あるいは電極面１２ａおよび側面１２ｃにモリブデン材を被着してもよい。
【００３１】
放電防止材３６は、平板状ないしは円盤状をなし、陰極１２の外径より大きい外径を有して絶縁膜１８上に延びている。この放電防止材３６は、絶縁膜１８の途中部位まで、あるいは絶縁膜１８の外周縁にまで延長して配置してもよい。
【００３２】
以下、説明すると、真空成膜室１０内部には陰極１２と陽極１４とがその両電極面を平行に対向させて配置されている。陰極１２は冷却板１６の陰極搭載領域１６ａ上に搭載されている。放電防止材３６は冷却板１６の陰極搭載領域１６ａからその外周領域１６ｂ上の絶縁膜１８を覆う大きさの盤状である。
【００３３】
以上の構成を備えた直流プラズマ成膜装置において、真空成膜室１０の内圧を真空排気系２６により減圧し、真空成膜室１０内にガス導入系２４により炭化水素と水素との混合ガスを導入するとともに陰極１２に直流電源２０から直流負電圧を印加すると、図２で示すように、真空成膜室１０内の真空圧が低圧のときに陰極１２と陽極１４との間および絶縁膜１８上に大きいが低密度のプラズマ２８，２９が発生する。そして、ガスはプラズマ２８，２９により分解され、ガス中の炭素成分３２，３３が、陰極１２の外周面と絶縁膜１８上に島状、縞状、粒子状等の各種パターン形状に堆積してくるようになる。
【００３４】
そして、真空成膜室１０内の真空圧が高圧に制御されると、図３で示すように上記プラズマ２８，２９は縮小し、プラズマ２９は実質無視し得る程度に縮小しプラズマ２８だけになる。このプラズマ２８は陽極１４の電極面１４ａ近傍に生成し基板３０の表面に電界電子放出源となる炭素膜を堆積させるプラズマとなる。
【００３５】
この場合、陰極１２がモリブデン材で構成され絶縁膜１８上にモリブデン材からなる放電防止材３６が配置されているので、炭素膜３２，３３は導電性となっており、したがって、これら炭素膜３２，３３には電子がチャージアップされないから、当該炭素膜３２，３３から放電が発生することはない。その結果、陽極１４の電極面１４ａ近傍のプラズマ２８は高質で高密度に保たれる結果、基板３０表面には電界電子放出源として膜厚均一かつ高品質な膜質を持つ性能に優れた炭素膜が成膜されるようになる。この炭素膜は針状の炭素膜（先端に向かうほど直径が小さくなって針状となる炭素膜）からなり、多数の微細突起への電界集中により電子を高性能高効率で放出する電界電子放出源となる。
【００３６】
なお上記陰極１２を構成するモリブデン材および放電防止材３６を構成するモリブデン材は９９％以上の高純度であることが好ましい。またモリブデンが高純度に含まれるのであれば高温特性等の機能が向上するために他の金属と合金したモリブデン合金であっても良い。
【００３７】
モリブデンとしては単結晶高純度のモリブデンがより好ましい。また、モリブデンは電界増倍係数βが大きく、直流高電界下での陰極１２表面からの電界電子放出特性に優れる。
【００３８】
なお、陰極１２と放電防止板３６は図４で示すように中実一体化されたモリブデン材で構成されたものでよい。
【００３９】
あるいは、図５で示すように陰極１２の外周面を覆うモリブデン材からなる陰極側放電防止材３８と上記絶縁膜側放電防止材３６とを一体化した中空の放電防止材４０とした構成でもよい。
【００４０】
あるいは、図６で示すようにモリブデン材からなる陰極１２の外周囲を取り囲むモリブデン材からなる環状板形状の放電防止材４２で構成してもよい。
【００４１】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、種々な変更ないしは変形を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る直流プラズマ成膜装置の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、図１の直流プラズマ成膜装置の動作中の断面図である。
【図３】図３は、直流プラズマ成膜装置の真空成膜室内圧が低圧のときの要部断面図である。
【図４】図４は、陰極と放電防止材との構成例を示す図である。
【図５】図５は、陰極と放電防止材との他の構成例を示す図である。
【図６】図６は、陰極と放電防止材とのさらに他の構成例を示す図である。
【図７】図７は、従来の直流プラズマ成膜装置の断面図である。
【図８】図８は、動作中の従来の直流プラズマ成膜装置の断面図である。
【図９】図９は、従来の直流プラズマ成膜装置の陰極から陽極に強い異常放電が発生した場合の断面図である。
【図１０】図１０は、従来の直流プラズマ成膜装置の陰極から陽極に部分異常放電が発生した場合の断面図である。
【図１１】図１１は、従来の直流プラズマ成膜装置の陰極から陽極に弱い異常放電が発生した場合の課題の説明に供する断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  真空成膜室
１２  陰極
１２ａ  電極面
１２ｂ  側面
１２ｃ  裏面
１４  陽極
１４ａ  電極面
１６  冷却板
１６ａ  陰極搭載領域
１６ｂ  外周領域
１８  絶縁膜
２０  直流電源
２８  プラズマ
２９  プラズマ
３０  基板
３２  炭素成分
３３  炭素成分
３６−４２  放電防止材
【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】
2008150681.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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