(57)【要約】  【課題】  同一の成膜装置によって多種の炭素膜を成膜できるようにする。  【解決手段】  陰極アーク放電によって陰極材料を衝撃して基板に成膜する成膜装置において、前記陰極４と前記基板８との間隔を可変する可変手段を設け、陰極４と基板８との間の距離を可変して材料特性やエミッタ特性などに影響を及ぼすパラメータであるイオン行程距離（Ｉon Ｔhrow Ｄistance）を調整できるようにしており、これによって、他のパラメータを適宜選択することにより、様々な特性の炭素膜の成膜を可能としている。【選択図】図１
2005350763.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極アーク放電によって陰極材料イオンを含むプラズマを生成して基板に成膜する成膜装置であって、
前記陰極と前記基板との間隔を可変する可変手段を設けたことを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記可変手段は、前記陰極を移動させる陰極移動手段および前記基板を移動させる基板移動手段の少なくとも一方を備える請求項１記載の成膜装置。
【請求項３】
陰極アーク放電によって陰極材料イオンを含むプラズマを生成して基板に成膜する成膜方法であって、
前記陰極と前記基板との間隔を可変して、ｓｐ２結合の多いグラファイト構造の炭素膜からｓｐ３結合の多いダイヤモンド構造の炭素膜までの前記ｓｐ２結合と前記ｓｐ３結合との混合比を異ならせた複数層の炭素膜を形成することを特徴とする成膜方法。
【請求項４】
陰極アーク放電によって陰極材料イオンを含むプラズマを生成して基板に成膜する成膜装置であって、
陰極材料の周囲に絶縁部材を介してトリガ電極を配置するとともに、前記陰極材料の近傍に、陽極を配置し、前記トリガ電極と陰極材料との間に高電圧を印加してトリガ放電を発生させ、前記陰極材料と前記陽極との間にアーク放電を誘起させる蒸着源を有し、
前記トリガ電極と前記陰極材料との間でトリガ放電を発生させる放電ギャップを、複数備えることを特徴とする成膜装置。
【請求項５】
前記トリガ電極は、円筒状に形成されるとともに、前記陰極材料の外周を囲む円筒状の前記絶縁部材に外嵌され、前記トリガ電極の前記陽極側の端面には、径方向内方に突出するトリガ放電用の複数の突出部が、円周方向に沿って等間隔で形成される請求項４記載の成膜装置。
【請求項６】
前記陰極と前記基板との間隔を可変する可変手段を設けた請求項４または５記載の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブ、アモルファスカーボン、ナノダイヤモンド、カーボンナノファイバー、ナノクラスターカーボンなどのような炭素系の薄膜の形成に好適な成膜装置および成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブやナノダイヤモンドのような炭素膜は、ＦＥＤ（Ｆield Ｅmission Ｄisplay）の電子エミッタや各種の電子源、バキュームマイクロエレクトロニクスなどの用途に使用できるために、注目されている。
【０００３】
従来、かかる炭素膜を基板上に成膜する装置として、プラズマＣＶＤ（Ｃhemical Ｖapor Ｄeposition）、レーザーアブレーション、イオンプレーティング、カソードアークなどが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２３９０６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来では、異なる特性の炭素膜を成膜するには、異なる設計の成膜装置を用いる必要があり、同一の成膜装置を用いて様々な特性の炭素膜を成膜することは困難であった。
【０００５】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、同一の成膜装置によって多種の炭素膜を成膜できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。
【０００７】
すなわち、本発明の成膜装置は、陰極アーク放電によって陰極材料イオンを含むプラズマを生成して基板に成膜する成膜装置であって、前記陰極と前記基板との間隔を可変する可変手段を設けている。
【０００８】
この可変手段は、前記陰極を移動させる陰極移動手段および前記基板を移動させる基板移動手段の少なくとも一方を備えるのが好ましい。
【０００９】
本発明によると、陰極と基板との間の距離を可変できるので、材料特性やエミッタ特性などに影響を及ぼすパラメータであるイオン行程距離（Ｉon Ｔhrow Ｄistance）を調整することが可能となり、他のパラメータを適宜選択することにより、様々な特性の炭素膜の成膜が可能となる。
【００１０】
この炭素膜は、基板や種々の形状のワイヤなどに成膜することができる。
【００１１】
また、本発明の成膜方法は、陰極アーク放電によって陰極材料イオンを含むプラズマを生成して基板に成膜する成膜方法であって、  前記陰極と前記基板との間隔を可変して、ｓｐ２結合の多いグラファイト構造の炭素膜からｓｐ３結合の多いダイヤモンド構造の炭素膜までの前記ｓｐ２結合と前記ｓｐ３結合との混合比を異ならせた複数層の炭素膜を形成するものである。
【００１２】
本発明によると、陰極と基板との間の距離を可変して、材料特性やエミッタ特性などに影響を及ぼすパラメータであるイオン行程距離（Ｉon Ｔhrow Ｄistance）を調整するとともに、他のパラメータを適宜選択することにより、ｓｐ２結合とｓｐ３結合との混合比を異ならせた複数層の炭素膜を、同一の成膜装置によって成膜できることになる。
【００１３】
また、本発明の成膜装置は、陰極アーク放電によって陰極材料イオンを含むプラズマを生成して基板に成膜する成膜装置であって、陰極材料の周囲に絶縁部材を介してトリガ電極を配置するとともに、前記陰極材料の近傍に、陽極を配置し、前記トリガ電極と陰極材料との間に高電圧を印加してトリガ放電を発生させ、前記陰極材料と前記陽極との間にアーク放電を誘起させる蒸着源を有し、前記トリガ電極と前記陰極材料との間でトリガ放電を発生させる放電ギャップを、複数備えている。
【００１４】
本発明によると、トリガ放電を発生させる放電ギャップを複数備えているので、放電ギャップが一つである場合に比べて、陰極材料を、均一に消耗させることができ、さらに、陰極材料のイオン密度を高めて蒸着速度を高めることができるとともに、蒸着面積を広くすることができる。
【００１５】
好ましい実施態様においては、前記トリガ電極は、円筒状に形成されるとともに、前記陰極材料の外周を囲む円筒状の前記絶縁部材に外嵌され、前記トリガ電極の前記陽極側の端面には、径方向内方に突出するトリガ放電用の複数の突出部が、円周方向に沿って等間隔で形成されるものである。
【００１６】
この実施態様によると、円周方向に沿って等間隔で複数の放電ギャップを構成されるので、陰極材料を、より均一に消耗させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、陰極と基板との間の距離を可変できるので、材料特性やエミッタ特性などに影響を及ぼすイオン行程距離（Ｉon Ｔhrow Ｄistance）を調整することが可能となり、様々な特性の炭素膜の成膜が可能となる。特に、ｓｐ２結合とｓｐ３結合との混合比を異ならせた多層の炭素膜を、同一の成膜装置によって比較的低温で成膜することができる。
【００１８】
また、トリガ放電を発生させる放電ギャップを複数備えているので、放電ギャップが一つである場合に比べて、陰極材料を、均一に消耗させることができ、さらに、陰極材料のイオン密度を高めて蒸着速度を高めることができるとともに、蒸着面積を広くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面によって本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一つの実施の形態に係る成膜装置の概略構成図である。
【００２１】
この実施の形態の成膜装置１は、垂直型の真空チャンバ２を備えており、この真空チャンバ２内の下方位置には、カソードアークプラズマを生成して真空アーク蒸着を行うための蒸着源２０が設けられている。
【００２２】
この蒸着源２０は、中央部に貫通孔４ａを有する円筒状のカソード４を備えており、このカソード４は、その直径が、例えば、２０ｍｍ程度であって、成膜材料（陰極材料）であるターゲットで構成されており、このターゲットとしては、例えば、ＤＬＣ（Ｄiamond Ｌike Ｃarbon）等の炭素膜を成膜する場合には、グラファイトターゲットが用いられる。
【００２３】
カソード４には、その外周に、円筒形状の絶縁リング５を介してトリガリング３が設けられており、周方向に沿って延びるトリガリング３の両端面間に、図２の平面図に示すように、放電用のアークギャップ６が上下方向に沿って形成されている。すなわち、トリガリング３は、厳密には、完全なリングではなく、アークギャップ６によって分離されている。この実施の形態では、絶縁リング５は、例えば、アルミナからなり、トリガリング３は、例えば、ニッケル合金であるインコネルからなる。
【００２４】
これらの上方には、環状のアノードリング２１が配置されており、この実施の形態では、このアノードリング２１は、例えば、グラファイトからなる。
【００２５】
カソード４とトリガリング３との間には、パルス状の高電圧を瞬間的に印加するトリガ電源７が接続されており、アノードリング２１とカソード４との間には、アーク放電を形成するための電圧を印加するアーク電源２２が接続されている。
【００２６】
図３は、このトリガ電源７およびアーク電源２２の電圧波形を示す図である。
【００２７】
トリガ電源７は、図３の細い実線で示されるように、例えば、１ｋＶ〜１２．５ｋＶ、１０Ａでパルス幅４０μｓのトリガパルスＴｉを出力する高電圧低電流の電源であり、アーク電源２２は、図３の太い実線で示されるように、例えば、１００Ｖ、１００Ａ〜５００Ａで、周波数が１〜１０Ｈｚ、パルス幅が５００μｓ〜５０００μｓのアークパルスＴａを出力する低電圧高電流の電源であり、両パルスＴｉ，Ｔａは、同期している。
【００２８】
以上のような構成を有する蒸着源２０に対向するように、真空チャンバ２内の上方には、基板８が配置されており、この基板８には、高周波あるいは直流のバイアス電源９が接続され、この例では、絶縁基板に好適な高周波バイアス電源９が接続されている。基板８を保持する基板ホルダ１１は、基板８を３５０℃まで加熱することができる。
【００２９】
この実施の形態の成膜装置１では、対角サイズが３００ｍｍまでの基板８を保持することができ、図示しない真空排気装置によって、１０−７ｔｏｒｒまで真空引きすることができる。
【００３０】
真空チャンバ２の外周には、コイル１０が巻回されて磁界を供給するための電磁石が形成されている。この真空チャンバ２内には、下方のガス供給口１１から水素ガスやヘリウムガスなどのプロセスガスが供給される。
【００３１】
この成膜装置１では、トリガ電源７により、カソード４とトリガリング３間に高電圧のパルスを瞬間的に印加すると、絶縁リング５の表面を介してトリガ放電としての沿面放電が発生し、これが引金となって、アノードリング２１とカソード４との間でアーク放電が発生する。すなわち、この実施の形態では、沿面放電をトリガとし、アーク放電を誘起させる。アーク放電が発生すると、カソード（ターゲット）４が瞬時に蒸発してイオン化され、ターゲット表面付近にプラズマが生成される。このプラズマ中のイオンを、上方の基板８に導いて堆積させて薄膜を形成するものである。
【００３２】
このように高電圧のパルス電圧を印加してトリガ放電を生じさせるので、カソード４に、ストライカ（トリガロッド）と称される電極を機械的に接離させてアーク放電を誘発させる従来例（例えば、特開２００２−２７９６０５）のように、ストライカの消耗によって、トリガの回数が制限されたりすることがない。、
この実施の形態では、当該成膜装置１で様々な特性の炭素膜を成膜できるように、基板８が取り付けられる基板ホルダ１１は、垂直方向に延びる真空チャンバ２に沿って矢符Ａで示されるように上下方向に４００ｍｍ移動可能に構成される一方、カソード（陰極）４も矢符Ｂで示されるように上下方向に１０ｍｍ移動可能に構成されている。
【００３３】
したがって、この実施の形態の成膜装置１では、基板８とカソード４との間の距離を、可変設定することが可能である。
【００３４】
このように基板８とカソード４との間の距離を可変設定することにより、材料特性やエミッタ特性などに影響を及ぼすパラメータであるイオン行程距離（Ｉon Ｔhrow Ｄistance）を調整することが可能となる。
【００３５】
また、この実施の形態では、高周波バイアス電源９によって、成膜工程中に基板８に高周波バイアス電圧を印加して基板８へのイオン加速度等を制御することができる。更に、この高周波バイアス電源９によって、成膜の前後で基板８を表面処理して所期通りのエミッタ性能を達成するため、エネルギの小さいプラズマを発生させることができる。
【００３６】
この実施の形態のカソードアーク成膜装置１は、従来公知のプロセスパラメータ、例えば、基板の温度、反応性相互作用のための様々なガスフロー、イオンエネルギーの変更、荷電イオンによる基板表面の物理的なエッチング／クリーニング、イオンビーム制御（イオンビーム電流、始動電圧）、基板バイアス（基板に向かうイオンの加速）、マクロ粒子用のフィルタリング用の電磁界、蒸着レート、蒸着時間を選択することができる。
【００３７】
図４は、この実施の形態の成膜装置１において、同様のガス分圧等の条件の下、基板８とカソード４との間の距離を、１５０ｍｍから２２０ｍｍまで可変したときに得られる炭素膜のＳＥＭ像を示している。
【００３８】
同図において、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）の順で、距離が大きくなっている。
【００３９】
この図４に示されるように、基板８とカソード４との間の距離、すなわち、イオン行程距離を大きくすると、クラスタ特性が減り、アモルファス相が増大する。したがって、この実施の形態の成膜装置１では、イオン行程距離を可変させることができるので、ナノクラスタを良好に成長させることができる。
【００４０】
この実施の形態の成膜装置は、例えば、図５に示される低電界電子エミッタの製造に好適である。
【００４１】
この電子エミッタは、ヘテロ構造であり、基板１３上には、バックコンタクト１４が形成されており、このバックコンタクト１４上には、シーディングされたナノダイヤモンド層１５、ｓｐ２結合が多いナノクラスターカーボンのオーバーコート層１６およびｓｐ３結合を有する四面体アモルファスカーボンの薄いオーバー層１７からなる。
【００４２】
このようにｓｐ２結合の多いグラファイト構造の炭素膜からｓｐ３結合の多いダイヤモンド構造の炭素膜までのｓｐ２結合とｓｐ３結合との混合比を異ならせた多層の炭素膜を形成することができる。
【００４３】
図６は、この実施の形態の成膜装置１によって、ガラス基板上に成長された多層へテロ構造の電子エミッタの電子放出特性を示すものであり、縦軸は電流密度を、横軸は電界をそれぞれ示している。
【００４４】
この図に示されるように、この実施の形態の成膜装置１によって得られる電子エミッタは、極めて低い電界で良好な電子放出特性を示している。
【００４５】
また、この実施の形態の成膜装置１によって、上述の図５に対応する図７に示されるように、必要に応じて電流制限層１８を設けた多層構造の電子エミッタとしてもよい。
【００４６】
図８は、この実施の形態の成膜装置１によって室温成長によって得られた炭素膜のＳＥＭ像である。同図において、（ａ）はヘリウム無しの場合の平滑な炭素膜、（ｂ）はヘリウム分圧が、０．０５ｔｏｒｒのナノクラスタの炭素膜、（ｃ）はヘリウム分圧が５０ｔｏｒｒの繊維状の炭素膜、(ｄ)は１００℃の場合のナノピラーである。
【００４７】
ここで、ナノクラスタの炭素膜の成膜に好適な製造条件について説明する。
【００４８】
ナククラスタの炭素膜を成膜するには、基板８とカソード４との間の距離は、１００ｍｍ〜２００ｍｍ、ガス圧力は、１０−３〜２００Ｔｏｒｒ、温度は、０〜３００℃、イオンエネルギーは、３０ｅＶ以下の範囲にあるのが好ましい。
【００４９】
この成膜装置１では、従来の成膜装置に比べて、０〜３００℃という比較的低温で、ナノクラスタの炭素膜を成膜することができる。
【００５０】
また、図９には、比較的ｓｐ３結合が多い膜、ｓｐ２結合が多い膜およびシーディングに用いたナノダイヤモンドのラマン応答を示している。
【００５１】
これらの膜を組み合わせて良好な電界放出特性の照明を得ることができた。
【００５２】
（実施の形態２）
図１０は、本発明の他の実施の形態に係る成膜装置の概略構成図であり、図１に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【００５３】
この実施の形態の成膜装置１−１は、蒸着源２０−１および後述のガス供給口に特徴を有している。
【００５４】
すなわち、この実施の形態の蒸着源２０−１は、上述の実施の形態と同様に、中央部に貫通孔４ａを有する円筒状のカソード４と、このカソード４の外周に設けられた絶縁リング５を有するとともに、その上方には、環状のアノードリング２１が配置されている。
【００５５】
この実施の形態では、トリガリング３−１は、上述の実施の形態と異なり、完全な円筒状であって、絶縁リング５に外嵌されており、その上端には、図１１の平面図および図１２の要部の断面図に示されるように、円周方向の３箇所に、内方に突出してトリガ放電用のギャップを形成する突出部が形成されている。
【００５６】
このトリガリング３−１の直径は、絶縁リング５の外径に応じて決定される。
【００５７】
この突出部３−１ａの形状は、この実施の形態では、四角柱のワイヤ状であるが、図１３あるいは図１４に示すように、円柱状、あるいは、先端が尖鋭な円柱状であってもよい。
【００５８】
また、この実施の形態では、突出部３−１ａの先端は、図１２に示すように、絶縁リング５の上方まで突出しているが、図１５に示すように、カソード４の上方まで突出するものであってもよい。
【００５９】
突出部の形状および突出量は、ターゲットの材料等によって適宜選択すればよい。
【００６０】
その他は、上述の実施の形態と同様であり、カソード４とトリガリング３−１との間、および、アノードリング２１とカソード４との間には、トリガ電源７およびアーク電源２２がそれぞれ接続されており、上述の実施の形態と同様に、図３に示されるトリガパルスＴｉおよびアークパルスＴａが印加される。
【００６１】
上述の実施の形態では、アークギャップ６が、トリガリング３の円周方向の一箇所しか設けられていなかったので、図１６に示すように、カソード４のトリガ放電の部分が、局所的に著しく消耗してしまう。
【００６２】
このため、カソード４が或る程度消耗したらカソード４を回転させて使用しなければならず、生産性が悪いといった難点がある。
【００６３】
これに対して、この実施の形態では、トリガリング３−１には、円周方向に沿って等間隔で３箇所にトリガ放電用の突出部３−１ａが形成されており、図１７に示すように、各箇所でトリガ放電が生じるので、カソード４が３箇所から均一に消耗するとともに、上述の実施の形態に比べて、イオン密度も高まり、蒸着速度も向上するとともに、より均一で、広い面積の蒸着が可能となる。
【００６４】
なお、トリガリングおよび絶縁リングの少なくとも一方を回転させるように構成し、カソードの消耗に応じて回転させてもよい。
【００６５】
また、本発明の他の実施の形態として、例えば、円周方向の５箇所に、トリガ放電用の突出部を設けてもよいし、さらに、多数の突出部を設けるようにしてもよい。
【００６６】
また、この実施の形態では、真空チャンバ２の下方の第１のガス供給口１１とは別に、蒸着源２０−１の近傍の真空チャンバ２の側壁に、第２のガス供給口２３を備えるとともに、真空チャンバ２の上方に第３のガス供給口２４を備えている。
【００６７】
第１のガス供給口１１は、イオン化するガスとそれより多量の不活性ガス、例えば、水素ガス、窒素ガスおよびヘリウムガスを供給し、第２のガス供給口２３は、上記と同様の組成のガスあるいは不活性ガスのみを供給し、第３のガス供給口２４は、不活性ガスのみを供給する。
【００６８】
第２のガス供給口２３から蒸着源２０−１の近傍に供給される不活性ガスは、基板８に向かうイオンを減速させる効果を有し、第３のガス供給口２４から基板８の近傍に供給される不活性ガスは、基板８を冷却する効果を有するとともに、不所望にマイクロパーティクルが基板８に向かうのを防止する効果を有する。
【００６９】
その他の構成および効果は、上述の実施の形態と同様であるので、その説明は、省略する。
【００７０】
（その他の実施の形態）
上述の実施の形態では、ターゲットとして、カーボンを用いた場合について説明したけれども、本発明は、カーボン以外のターゲット等を適用することにより、例えば、窒化チタン、酸化チタン、酸化ジルコニウム等の他の薄膜の成膜にも適用できるものである。
【００７１】
上述の実施の形態では、突出部を複数設けたけれども、本発明の他の実施の形態として、上述の実施の形態１と同様の放電用のアークギャップ６を複数設けてもよい。
【００７２】
本発明においては、カソードとトリガ放電用の突出部との間の印加電力の効果的な分配、あるいは、複数のトリガポイント間のアークの発生の抑制などを考慮するのが好ましく、トリガ放電用の突出部の数や寸法は、カソードのサイズや印加電力に応じて、適宜選択される。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、電子エミッタなどの炭素膜の成膜に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の一つの実施の形態に係る成膜装置の概略構成図である。
【図２】図１の蒸着源の要部の平面図である。
【図３】トリガパルスおよびアークパルスの波形図である。
【図４】基板とカソードとの間の距離を可変したときの炭素膜のＳＥＭ像である。
【図５】本発明の成膜装置で製造された電子エミッタの断面図である。
【図６】電子エミッタの電子放出特性を示す図である。
【図７】本発明の成膜装置で製造された電子エミッタの断面図である。
【図８】本発明の成膜装置によって得られた炭素膜のＳＥＭ像である。
【図９】本発明の成膜装置によって得られた膜およびナノダイヤモンドのラマン応答を示す図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態に係る成膜装置の概略構成図である。
【図１１】図１０の蒸着源の要部の平面図である。
【図１２】図１０の蒸着源の要部の断面図である。
【図１３】トリガ電極の突出部の他の例を示す平面図である。
【図１４】トリガ電極の突出部の更に他の例を示す平面図である。
【図１５】トリガ電極の突出部の他の例を示す断面図である。
【図１６】図１のカソードターゲットの消耗を説明するための平面図である。
【図１７】図１０のカソードターゲットの消耗を説明するための平面図である。
【符号の説明】
【００７５】
１，１−１  成膜装置        ２    真空チャンバ
３，３−１  トリガリング    ４    カソード（ターゲット）
５          絶縁リング      ７    トリガ電源
８          基板            ９    高周波バイアス電源  
２１        アノードリング  ２２  アーク電源
【図１】
2005350763.tif 000003
【図２】
2005350763.tif 000004
【図３】
2005350763.tif 000005
【図５】
2005350763.tif 000006
【図６】
2005350763.tif 000007
【図７】
2005350763.tif 000008
【図９】
2005350763.tif 000009
【図１０】
2005350763.tif 000010
【図１１】
2005350763.tif 000011
【図１２】
2005350763.tif 000012
【図１３】
2005350763.tif 000013
【図１４】
2005350763.tif 000014
【図１５】
2005350763.tif 000015
【図１６】
2005350763.tif 000016
【図１７】
2005350763.tif 000017
【図４】
2005350763.tif 000018
【図８】
2005350763.tif 000019