(57)【要約】【課題】薄膜の結晶構造を緻密でしかも均一な微細構造とすることができ、さらに、大面積の基板に対してもこうした薄膜を容易に成膜可能とするプラズマＣＶＤ装置を提供することを目的とする。【解決手段】カソード２からアノード３に向けてイオン化された不活性ガスを放出して放電させることにより、カソード２とアノード３との間にプラズマを発生させるプラズマＣＶＤ装置である。カソード２は、熱電子を放出する放出材料からなり不活性ガスＣを通過させる少なくとも１つの通加孔２１と、この放出材料を誘導加熱するＩＨコイル６とが設けられてなる。このカソード２を含み、かつ、不活性ガスＣの放出方向Ｘに開口された開口部１０を有するスカート８が形成されている。アノード３はこのスカート８の内部、かつ、カソード２の近傍に設けられている。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードからアノードに向けてイオン化された不活性ガスを放出して放電させることにより、カソードとアノードとの間にプラズマを発生させるプラズマＣＶＤ装置において、上記カソードは、熱電子を放出する放出材料からなり不活性ガスを通過させる少なくとも１つの通加孔と、この放出材料を誘導加熱する誘導加熱手段とが設けられてなり、このカソードを含み、かつ、不活性ガスの放出方向に開口された開口部を有する筐体が形成されているとともに、この筐体の内部、かつ、当該カソード近傍に上記アノードが設けられていることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【請求項２】
上記アノードは、リング状をなし、上記筐体内壁に沿う近傍に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項３】
上記誘導加熱手段は、ＩＨコイルであり、このＩＨコイルが上記カソードの外周面に巻かれていることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマＣＶＤ装置を複数個、垂直に配置された基板の薄膜形成面に対向する位置に、かつ、その薄膜形成面に当該開口部を向けた状態で設けられてなるプラズマＣＶＤ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマＣＶＤ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来のプラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す図である。
【０００３】
このプラズマＣＶＤ装置４０は、容器４１内に２枚の平行平板電極４２、４２を配されている。この容器４１内にガスを導入し、電極４２、４３間に、高周波（ＲＦ）電源４４により、ＲＦ電圧を印加し、ＲＦ放電を行なうことによりプラズマを発生させる。このプラズマＣＶＤ装置４０では、１０−２Ｔｏｒｒ（１．３３３Ｐａ）オーダーの真空雰囲気での放電がなされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようなプラズマＣＶＤ装置４０によって薄膜形成において、形成される薄膜の形態は、雰囲気ガス圧及び基板温度という薄膜の成長条件と関係したものとなっている。この成長条件を考慮すると、薄膜の結晶構造を緻密でしかも均一な微細構造とするためには、低圧及び低温での成膜条件が必要とされている。
【０００５】
本発明は、上記の点を鑑みてなされたものであり、薄膜の結晶構造を緻密でしかも均一な微細構造とすることができるプラズマＣＶＤ装置を提供することを目的とする。また、さらなる目的は、こうした薄膜を大面積の基板に対しても容易に成膜可能とするプラズマＣＶＤ装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明に係るプラズマＣＶＤ装置は、カソードからアノードに向けてイオン化された不活性ガスを放出して放電させることにより、カソードとアノードとの間にプラズマを発生させるプラズマＣＶＤ装置において、上記カソードは、熱電子を放出する放出材料からなり不活性ガスを通過させる少なくとも１つの通加孔と、この放出材料を誘導加熱する誘導加熱手段とが設けられてなり、このカソードを含み、かつ、不活性ガスの放出方向に開口された開口部を有する筐体が形成されているとともに、この筐体の内部、かつ、当該カソード近傍に上記アノードが設けられていることによって特徴付けられる。
この構成によれば、誘導加熱手段により放出材料が誘導加熱され、通加孔の内周面から熱電子が放出される。この放出された熱電子により、カソード内に導入された不活性ガスはイオン化され、低い圧力１０−４〜１０−３Ｔｏｒｒ（１．３３３×１０−１〜１．３３３×１０−２Ｐａ）オーダーの真空雰囲気での放電が可能となる。こうしたプラズマＣＶＤ圧力値に制御できることから、低電圧、大電流のプラズマの発生を可能とし、この結果、形成される薄膜の結晶構造は、緻密かつ均一な微細構造となる。
【０００７】
この構成において、カソードが複数個の通過孔を備えた構造である場合、誘導加熱により、これら複数個の通過孔がすべて均一に加熱され、全ての通過孔の内周面から熱電子が放出される。従って、熱電子が放出される面積が大きくなり、熱電子を大量にしかも安定して放出することが可能となる。
【０００８】
この構成において、上記アノードは、リング状をなし、上記筐体内壁に沿う近傍に設けられていることが好ましい。この場合、プラズマの形成領域は、カソードーアノード間全域にわたって、均一に安定して形成される。
【０００９】
上記構成において、誘導加熱手段は、ＩＨコイルであり、このＩＨコイルが上記カソードの外周面に巻かれていることが好ましい。この構成とすれば、カソードがサーマルショックを起こしても、カソードの外周面からカソードを継続して加熱することができる。
【００１０】
さらに、上記のプラズマＣＶＤ装置を複数個、垂直に配置された基板の薄膜形成面に対向する位置に、かつ、その薄膜形成面に当該開口部を向けた状態で設けた構成としてもよい。
【００１１】
この構成では、大面積の基板に対するプラズマＣＶＤが可能になる。この大面積基板に対しても、上記と同様の作用を奏する。また、個々のプラズマＣＶＤ装置はそれぞれ電源によって、適宜制御可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態にかかるプラズマＣＶＤ装置の概略構成図である。図２は、図１における矢符Ａ方向からみた要部斜視図である。
【００１４】
図１に示すように、このプラズマＣＶＤ装置１は、一方が開口された容器１８内に、熱電子を放出する放出材料からなり、Ａｒ，Ｈ２　などの不活性ガスを通過させる複数個の通加孔２１を備えたカソード２が設けられている。このカソード２は、カーボンからなり、図２に示すように、通過孔２１の内側壁に導電性材料からなるＬａＢ６　の中空円筒状体２２が設けられた構造となっている。さらに、このカソード２の外周には絶縁体５を介して誘導加熱体として、ＩＨコイル６が巻かれている。このＩＨコイル６は、誘導加熱電源Ｆ（１０〜１００ｋＨｚ）に接続されている。また、このカソード２の外周を挟み込み、不活性ガスの放出方向（矢符Ｘ方向）に開口された開口部１０を有する筐体（スカート８）が形成されている。このスカート８の内壁に沿う近傍に、リング状をなすアノード３が設けられており、アノード３はスカート８の複数個所でガイシ９によってスカート８に固着されている。このアノード３は、カーボンあるいはグラファイトからなる。これらカソード２とアノード３は直流電源Ｅに接続されている。このカソード２とアノード３間の距離は、本実施の形態では５〜１０ｃｍとされている。
【００１５】
また、容器１８の外部からカソード２内にＡｒ，Ｈ２　などの不活性ガスを導入するための不活性ガス供給管１４が設けられており、カソード２の通過孔２１と連通する。さらに、容器１８の外部からＯ２　、ＣＨ４　、ＣＦ４　などの反応ガスをスカート８内に導入するための反応性ガス供給管１５が設けられており、カソード２の外周に所定間隔で配置されたキャビティ１７と連通する。反応性ガスは、このキャビティ１７内に設けられたキャピラリー１６を介してスカート８内に導入される。キャピラリー１６は熱電子の放出方向と同方向に向けられており、キャピラリー１６の先端はアノード３の近傍に配置されている。　この構造により、導入された反応性ガスがプラズマによって励起される励起効率が向上する。
【００１６】
なお、本実施の形態のカソード２は、中空円筒状体２２の導電性材料としてＬａＢ６　を用いたが、これに限ることなく、例えばＣａＢ６　、Ｗ、Ｔａなどを用いてもよい。またこれらの導電性材料のみでカソード全体を構成してもよい。さらに、通過孔２１は、中空円筒状体からなることが好ましいが、要は通過孔が設けられていればよく、その形状は限定されない。また、通過孔２１の断面形状は、円形に形成されていることが好ましいが、多角形であってもよい。
【００１７】
次に、上述した実施の形態におけるプラズマＣＶＤ装置１を用いたプラズマＣＶＤの工程について説明する。
【００１８】
直流電源Ｅにより直流電圧を印加するとともに、誘導加熱電源Ｂにより
誘導加熱電圧を印加する。誘導加熱電圧を印加することにより、複数個の通過孔２１が全て均一に加熱される。これにより、すべての通過孔２１の内周面から熱電子が放出される。
【００１９】
一方、不活性ガス供給管１４から供給された不活性ガスＣは、通過孔２１に導入され、熱電子によりイオン化され、通過孔２１の出口からアノード３に向かって放出される。この熱電子の放出により、イオン化は促進され、プラズマが形成される。このプラズマは低い圧力、すなわち１０−４〜１０−３Ｔｏｒｒ（１．３３３×１０−１〜１．３３３×１０−２Ｐａ）オーダーの真空雰囲気とされ、この雰囲気中での放電が可能となる。
【００２０】
この状態で反応性ガスがキャピラリー１６を介して供給されると、プラズマにより反応性ガスが励起され、活性化する。このような成膜環境によってプラズマＣＶＤが行われ、薄膜が形成される。
【００２１】
このプラズマＣＶＤ装置１によれば、複数の通過孔２１が全て均一に加熱され、全ての通過孔２１の内周面から熱電子が放出されるので、熱電子は大量にしかも安定して放出される。この熱電子が不活性ガスをイオン化し、カソードとアノード間に低電圧、大電流のプラズマが発生可能となる。また、このプラズマ発生状態では、真空圧力値を、１０−４〜１０−３Ｔｏｒｒ（１．３３３×１０−１〜１．３３３×１０−２Ｐａ）オーダーとする制御が可能であり、従って、低圧、低温での成膜条件を確立でき、プラズマＣＶＤにより形成された薄膜の結晶構造は、緻密かつ均一な微細構造となる。
【００２２】
さらに、上述した構成のプラズマＣＶＤ装置を用いることによって、高真空プラズマＣＶＤ法を構築でき、ダイヤモンド状硬質炭素膜（ＤＬＣ：ｄｉａｍｏｎｄ　ｌｉｋｅ
ｃａｒｂｏｎ　）を生成することができる点を説明する。
【００２３】
この方法では、室温〜３００℃程度の低い基板温度での薄膜生成が可能であることから、基板の選択も広くできる利点もある。さらに、低圧での成膜が可能である点でもＤＬＣの成膜条件に適するものである。このＤＬＣは他の素材にはみられない優れた性質（高硬度、電気的絶縁性、光透過性、耐磨耗性、耐食性、低摩擦係数、高撥水性、などの優れた物理的化学的性質）をもち、こうした性質を利用して、切削工具、耐摩耗保護膜などさまざまな分野への実用化が期待さされている。こうした観点から、本発明のプラズマＣＶＤ装置は、産業上の利用可能性が高く、今後さらに期待される技術となりえるものである。
【００２４】
また、以上の本実施の形態のプラズマＣＶＤ装置１を複数個備えた構成とすることも可能である。図３は、図１に示すプラズマＣＶＤ装置を用いた成膜装置の概略構成図である。
【００２５】
このプラズマＣＶＤ装置１００は、真空チャンバ３０内に、板状の基板保持具３１の両面に垂直状態に保持された大型の基板Ｓに成膜する構成である。この構成では、４個のプラズマＣＶＤ装置１を、基板Ｓのそれぞれの薄膜形成面Ｓａに対向する位置に、かつ、その薄膜形成面Ｓａに開口部１０を向けた状態でそれぞれ垂直方向に設けられている。また、個々のプラズマＣＶＤ装置１はそれぞれ電源によって、適宜制御可能である。なお、このプラズマＣＶＤ装置１は、先の実施の形態と同様の構成であるので、ここでの説明は省略する。
【００２６】
この構成では、大面積の基板に対するプラズマＣＶＤが可能になる。各プラズマＣＶＤ装置１は上述したように作用するから、その集合体として配置された場合には、その数に比例して成膜面積を大きくすることができる。従って、大面積基板に対しても、プラズマＣＶＤ装置を容易に構築できるとともに、上述の実施の形態と同様に、形成された薄膜の結晶構造は、緻密かつ均一な微細構造となる。
【００２７】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明にかかるプラズマＣＶＤ装置は、カソードは、熱電子を放出する放出材料からなり不活性ガスを通過させる少なくとも１つの通加孔と、この放出材料を誘導加熱する誘導加熱手段とが設けられてなり、開口部を有する筐体がこのカソードを含み、この筐体の内部、かつ、カソード近傍にアノードが設けた構成としたので、通加孔の内周面から熱電子が放出され、低い圧力１０−４〜１０−３Ｔｏｒｒ（１．３３３×１０−１〜１．３３３×１０−２Ｐａ）オーダーの真空雰囲気での放電が可能となる。こうしたプラズマＣＶＤ圧力値に制御できることから、低電圧、大電流のプラズマの発生を可能とし、この結果、形成される薄膜の結晶構造は、緻密かつ均一な微細構造となる。
【００２８】
この構成において、カソードが複数個の通過孔を備えた構造である場合には、さらに、大量の熱電子を安定して放出することが可能となる。
【００２９】
また、アノードをリング状とし、筐体内壁に沿う近傍に設けらた場合には、プラズマの形成領域は、カソードーアノード間全域にわたって、均一に安定して形成される。
また、誘導加熱手段がＩＨコイルであり、このＩＨコイルがカソードの外周面に巻かれた構成とすれば、カソードがサーマルショックを起こしても、カソードの外周面からカソードを継続して加熱することができ、装置の寿命を長くでき、成膜効率を低下させず、経済的である。
【００３０】
さらに、本プラズマＣＶＤ装置を複数個備えた構成とすれば、大面積の基板に対するプラズマＣＶＤが可能になり、装置を容易に構築できるとともに、上記と同様、優れた薄膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかるプラズマＣＶＤ装置の概略構成図である。
【図２】図１における矢符Ａ方向からみた要部斜視図である。
【図３】図１に示すプラズマＣＶＤ装置を用いた成膜装置の概略構成図である。
【図４】従来のプラズマＣＶＤ装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１、１００　　プラズマＣＶＤ装置
２　　　　　　　　　　カソード
３　　　　　アノード
６　　　　　ＩＨコイル（誘導加熱手段）
８　　　　　スカート（筐体）
１０　　　　開口部
２１　　　　　　　　通過孔
Ｃ　　　　　不活性ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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