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プラズマエネルギーシステム研究室

豊橋技術科学大学

電気・電子情報工学系

滝川・須田研究室

活性陽極を持つ真空アーク蒸着法活性陽極を持つ真空アーク蒸着法










Upload: July 03, 2014
Cathodic Arc Deposition with Activated Anode

 通常の真空アーク放電は,陰極が活性(蒸発する)で,陽極は不活性(蒸発しない)です。従って,通常の真空アーク蒸着法は,陰極固体を蒸発・プラズマ化することによって,薄膜を合成します。ところが,特殊な条件下では陽極も活性化します。例えば,圧力を高くした場合などにはフットポイントが形成されます。そこで,陰極からの蒸発も利用し,かつ陽極も積極的に活性化して利用する手法を開発しました。この装置を「活性陽極を持つ陰極アーク蒸着装置」(CADAA: Cathodic Arc Deposition with Activated Anode)と呼ぶことにしました。
 CADAA(キャダー,と読んでください)の利点は次の通りです。
     ・陽極近傍を活性化させることで,プラズマ密度が増加する。
     ・陽極からの蒸発も加わるので,成膜速度が増加し,エネルギー効率が改善される。
     ・陰極とは異なる材料を陽極から蒸発させることができる。
     ・陽極電流を制御できるため,陰極材料と陽極材料との混合率を制御しやすい。
     ・陽極上に形成される陽極プラズマ(陽極プルーム,Anodic plume)により基板加熱が可能。
     ・陽極をるつぼ状にした場合,粉末材料や非導電性材料も蒸発できる。

 次の図に,CADAA装置の概念図を示します。

活性陽極を持つ真空アーク蒸着装置


 このCADAA装置は,るつぼ陽極と真空チャンバ(容器)陽極の二つの陽極を持っています。陰極に流れる電流を一定にしておき,るつぼ陽極に流れる電流とチャンバ陽極に流れる電流とを独立して制御できます。これによって,陰極からの蒸発量と,るつぼ陽極からの蒸発量を制御できます。
 るつぼ陽極下部には強力磁石を配置し,プラズマ内の電子電流をるつぼへ収束させる工夫を施してあります。この工夫によって,圧力が低くてもるつぼ陽極は活性化します。一方,チャンバ陽極は通常どおり不活性です。
 なお,導電性材料であれば,るつぼの代わりに活性陽極としてそのまま配置することができます。

 上の装置を用いた実験の一例として,陰極に亜鉛(Zn),導入ガスに酸素(O2)を用い,るつぼ陽極にはアルミ(Al)のパウダーを入れました。これは,透明導電性材料である酸化亜鉛(ZnO)膜を合成し,この膜に少しのアルミを混ぜてZnO:Al とし,膜を安定化しようという狙いです。

 次の写真は,CADAA装置におけるプラズマの様相です。観察窓位置の関係で全体が写ってはいませんが,左奥にZn陰極があります。るつぼ陽極上には明るく光るプラズマ,陽極プルームプラズマが発生しているのがわかります。

CADAAプラズマの様相

 次の写真は,使用前と使用後のるつぼ内のAlパウダーの様子です。使用前にはさらさらであったAlパウダーは,るつぼ陽極電流を 7 A (陰極電流 30 A)とし,5分間プロセスを行った後には,右の写真のように溶けて固まります。

使用前の様子(Alパウダー) 使用後(7 A, 5 min)の様子(Alパウダー)


 次の図に生成した膜を示します。従来の方法(ノンシールド)で作成したZnO膜と,CADAA で作成したZnO:Al膜です。
どちらも透明ですが,どちらかと言えば,ZnO:Alの法が透明です。(なお,成膜条件を変えると,従来法(ノンシールド法)のZnO膜ももっと透明になります。) このようにして作成したZnO膜,ZnO:Al膜の抵抗値は,10-3 〜 10-2 Ωcm (膜厚:400 nm〜500 nm程度)です。
 

従来法のZnO膜 CADAAによるZnO:Al膜

 前述の装置では,るつぼ陽極が,陰極と基板との間に配置してありましたが,CADAAを有効に利用するには,次のようなスタイルを利用することができます。

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