CN101636520A

CN101636520A - 使等离子管外围为电中性的等离子体生成装置

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Publication number: CN101636520A
Application number: CN200880008675A
Authority: CN
Inventors: 椎名祐一
Original assignee: Ferrotec Corp
Current assignee: Ferrotec Material Technologies Corp
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2028-03-27
Also published as: EP2138603A1; JP5189784B2; CN101636520B; EP2138603A4; WO2008120656A1; US20100059369A1; JP2008248347A

Abstract

本发明提供一种等离子体生成装置，其在等离子管中，可以不减退通过真空电弧放电产生的等离子体的有效量地有效去除混入等离子体的微滴，而且可以简单并廉价地构成微滴去除部，可谋求用高纯度等离子体提高成膜等表面处理的精度。等离子管阴极(407)的外围被外围部件(420)包围，在外围部件(420)的内侧设有由多个对微滴进行捕集的捕集部件(411)按多层状构成的微滴去除装置(406)。外围部件(420)、捕集部件(411)以及等离子体行进路(402)与电弧电源(409)无连接关系，被保持在电中性的浮游状态。

Description

使等离子管外围为电中性的等离子体生成装置

技术领域

本发明涉及由被设定在真空气氛下的电弧放电部进行真空电弧放电而产生等离子体，并设有用来把产生等离子体时从阴极副生的阴极材料颗粒(以下称为微滴(ドロツプレツト))除去的微滴去除部的等离子体生成装置。

背景技术

已知，一般在等离子体中，在固体材料的表面形成薄膜、注入离子，由此来改善固体的表面特性的技术。利用包含金属离子、非金属离子的等离子体形成的膜，被用于强化固体表面的耐磨性、耐腐蚀性，并被用作保护膜、光学薄膜、透明导电膜等。尤其是，利用了碳等离子体的碳膜，作为由金刚石构造和石墨构造的非晶形混合晶构成的类金刚石材料膜(称作DLC膜)利用价值很高。

作为产生包含金属离子、非金属离子的等离子体的方法，有真空电弧等离子体法。真空电弧等离子体，通过在阴极和阳极之间产生的电弧放电形成，是使阴极材料从存在于阴极表面上的阴极点蒸发，由该阴极蒸发物质形成的等离子体。而且，在导入反应性气体和/或非活性气体(称作惰性气体)作为气氛气体的场合，反应性气体和/或非活性气体同时被离子化。使用这样的等离子体，可以在固体表面形成膜，或进行离子的注入而进行表面处理。

一般在真空电弧放电中，与放出被称作电子、阴极材料中性颗粒(原子和分子)的真空电弧等离子体构成颗粒的同时，从亚微米(サブミクロン)以下到数百微米(0.01～1000μm)大小的被称作微滴的阴极材料微粒也被放出。但是，在成膜等的表面处理中成为问题的是微滴的产生。如果该微滴附着在被处理物表面，形成在被处理物表面的薄膜的均匀性会丧失，成为薄膜的不良品。

作为解决微滴问题的一个方法，有磁过滤法(P.J.Martin，R.P.Netterfield and T.J.Kinder，Thin Solid Films193/194(1990)77)(非专利文献1)。该磁过滤法，是使真空电弧等离子体通过弯曲了的微滴捕集管并输送到处理部的技术。根据该方法，产生的微滴在管内壁附着而被捕获(捕集)，在关出口可获得几乎不含微滴的等离子体流。而且，通过沿管配置着的磁铁形成弯曲磁场，该弯曲磁场使等离子体流弯曲，把等离子体高效地引导到等离子体加工部。

在日本特开2002-8893号公报(专利文献1)中公开了一种具有微滴捕集部的等离子体加工装置。图13是现有的等离子体加工装置的构成简图。等离子体发生部102，在阴极104与触发电极106间产生电火花，在阴极104与阳极108间产生真空电弧而生成等离子体109。在等离子体发生部102连接着用来产生电火花和真空电弧放电的电源110，配设着使等离子体109稳定化的等离子体稳定化磁场发生器116a、116b。等离子体109从等离子体发生部102被引导到等离子体加工部112，配置在等离子体加工部112的被处理物114通过上述等离子体109进行表面处理。而且，通过与等离子体加工部112相连的气体导入系统Gt根据需要导入反应性气体，通过气体排气系统Gh将反应气体、等离子体流排出。

从等离子体发生部102放出的等离子体109通过磁场朝与等离子体发生部102不相向的方向弯曲，流入等离子体加工部112。在与等离子体发生部102相向的位置，配设着用来捕集在等离子体109发生时从阴极副生的阴极材料微粒(微滴)118的微滴捕集部120。因此，未受到磁场影响的微滴118向微滴捕集部120前进而被捕集，防止了微滴118进入到等离子体加工部112。

专利文献1：日本特开2002-8893号公报

非专利文献1：P.J.Martin，R.P.Netterfield and T.J.Kinder，ThinSolid Films 193/194(1990)77

发明内容

图13的现有的等离子体加工装置中，上述未受到磁场影响的微滴118被微滴捕集部120捕集，但是，因与等离子体109的相互作用等而被赋予了电荷的带电微滴，有时会在磁场作用下被引导到等离子体加工部112。进而，未被微滴捕集部120捕集的、粒径小的微滴随着等离子体流被引导到等离子体加工部112。因此，未被捕集而混入等离子体流的带电微滴、微小的微滴等微滴附着在被处理物表面，所以使被处理物表面的薄膜的形成、表面改质的均匀性丧失，产生了被处理物的表面特性降低的问题。

另外，在非专利文献1记载的磁过滤法中，也如上述那样，通过弯曲磁场使等离子体流弯曲，有效地使等离子体移动到等离子体加工部，所以，混在等离子体流中的带电微滴或微小的微滴没有被除去而是被引导到等离子体加工部，不能防止其撞击或附着在被处理物表面。

在最近的等离子体成膜技术中，使用各种材料进行成膜，要求通过成膜装置提高平滑性等的成膜精度。如上述那样，微滴的附着对成膜精度影响很大，所以，需要提高等离子体生成装置中的微滴去除效率。而且，如图13所示，如果设置较多的微滴去除用磁场发生装置等，则会造成装置复杂化，而且招致装置、成膜处理费用的成本上升的问题。

本发明的发明者们，根据基于真空电弧放电的等离子体生成装置中的微滴去除所涉及的实验结果获知，通过在等离子体流通路的内壁配置肋(突起状部件)，可以使等离子体中含有的微滴与上述肋撞击，使其被所述肋吸收而得以回收。进而，根据本发明的发明者们的知识，注意到，在上述等离子体发生部，微滴飞散得更多，所以，只要把肋配置在上述等离子体发生部内，就有可能有效地将微滴除去。

图12表示在等离子体发生部内作为捕集部件按多层状设置了多个肋303的等离子体生成装置。等离子体发生部设有由阴极304、触发电极306和壳体309构成的等离子管，和电弧电源307，由导电性材料构成的壳体309通过连接线缆310与电弧电源307连接从而成为阳极。上述壳体309与等离子体流通路302连接，由上述等离子管发生的等离子体308通过等离子体流通路302被导入等离子体加工部301，照射等离子体被处理物300，而且，在上述壳体309的内壁上安装着多个肋303。肋303最好由与阴极304相同的导电性材料形成，在等离子体生成时，即使肋303的温度上升而将离子热放出，也可以保持等离子体的纯度。

但是，在构成上述等离子管的外壁的壳体309的内壁上配置有肋30这样的等离子体生成装置中，存在下述问题。阴极304与壳体309构成的阳极之间通过真空电弧放电发生等离子体308、向等离子体加工部301侧放出。如上述那样，肋303由与阴极304相同的导电性材料形成，所以，壳体309与肋303相互电导通，肋303变成正电位。即，通过使壳体309成为阳极，尽管可以获得由上述肋将微滴除去的效果，但是，在阴极304产生的等离子体308中的电子大多被位于阴极304的近距离的上述肋303吸引，结果，会在肋与阴极304之间诱发放电。如此产生放电时，会造成能量损失，而且有损放电稳定性，因此，存在阴极304产生的等离子体的量降低的问题。

因此，本发明的目的是提供一种等离子体生成装置，其使得在上述等离子管中，不会减少由真空电弧放电产生的等离子体的有效量，可以有效去除混在等离子体中的微滴，而且能够简单并廉价地构成微滴去除部，可以通过高纯度的等离子体谋求提高成膜等的表面处理精度。

本发明是为了解决上述课题而提出的，本发明第一方式为一种等离子体生成装置，所述等离子体生成装置设有在真空气氛下的阴极与阳极间通过真空电弧放电产生等离子体的等离子体发生部，和由所述等离子体发生部产生的等离子体向被等离子体处理部侧行进的等离子体行进路，其特征在于，所述等离子体发生部具有将所述阴极的外围包围的外围部件，在所述外围部件的内侧配置有用来捕集在产生等离子体时从所述阴极副生出的阴极材料微粒(以下称为“微滴”)的捕集部件，至少所述捕集部件和所述外围部件被保持在电中性(electricallyneutral)的浮游状态。

本发明第二方式是，在上述第一方式的等离子体生成装置中，多个所述捕集部件，沿所述等离子体的行进方向，在所述阴极的周围，按多层状配置在所述外围部件的内侧。

本发明第三方式是，在上述第二方式的等离子体生成装置中，所述捕集部件由穿设有用来使所述等离子体流过的中空部的环状部件构成，多个相同形状的所述环状部件被配置成多层状。

本发明第四方式是，在上述第二方式的等离子体生成装置中，多个所述捕集部件，包含所述中空部的大小不同的环状部件，以沿所述等离子体的行进方向使各中空部的大小渐次扩大的方式，把多个所述环状部件配置成多层状。

本发明第五方式是，在上述第一～第四的任一个方式的等离子体生成装置中，形成所述等离子体行进路的管部被设定成电中性的浮游状态。

本发明第六方式是，在上述第一～第五的任一个方式的等离子体生成装置中，所述阳极，是与所述外围部件电绝缘地配设着的环状电极，所述环状电极的内径沿等离子体的行进方向缩小。

本发明第七方式是，在上述第一～第六的任一个方式的等离子体生成装置中，所述去除微滴的微滴去除部配置在所述等离子体行进路上，所述微滴去除部由扩径管、与所述扩径管的等离子体导入侧始端连接着的导入侧缩径管、与所述扩径管的等离子体排出侧终端连接着的排出侧缩径管，和形成在所述扩径管的所述始端和所述终端的台阶部构成。

本发明第八方式是，在上述第七方式的等离子体生成装置中，所述导入侧缩径管和/或所述排出侧缩径管的管轴相对于所述扩径管的管轴按规定弯曲角倾斜配置着，所述导入侧缩径管和/或所述排出侧缩径管与所述扩径管连接着。

本发明第九方式是，在上述第七或第八方式的等离子体生成装置中，所述导入侧缩径管和所述排出侧缩径管的管轴相对于所述扩径管相互交叉地配置着。

本发明第十方式是，在上述第七、第八或第九方式的等离子体生成装置中，所述等离子体行进路具有与所述等离子体发生部连接着的直线管，所述导入侧缩径管与所述直线管垂直或大致垂直地连接，在所述直线管的终端配设着微滴捕集部。

本发明第十一方式是，在上述第七～第十的任一个方式的等离子体生成装置中，所述扩径管由内周管和外周管构成，所述内周管可相对于所述外周管自由插拔。

本发明第十二方式是，在上述第十一方式的等离子体生成装置中，在所述内周管的内壁上立设着多个微滴捕集板。

本发明第十三方式是，在上述第十二方式的等离子体生成装置中，所述微滴捕集板的表面实施了粗糙面加工。

本发明第十四方式是，在上述第十二方式的等离子体生成装置中，所述微滴捕集板朝所述导入侧缩径管斜行配置着。

本发明第十五方式是，在上述第七～第十四的任一个方式的等离子体生成装置中，所述导入侧缩径管和所述排出侧缩径管上配设着微滴捕集用孔阑(アパ一チヤ一)。

本发明第十六方式是，在上述第五～第十三的任一个方式的等离子体生成装置中，多个所述扩径管通过缩径管连接着。

本发明第十七方式是，在上述第七～第十六的任一个方式的等离子体生成装置中，所述导入侧缩径管、所述扩径管和所述排出侧缩径管，与所述等离子体发生部和所述被等离子体处理部电绝缘。

本发明第十八方式是，在上述第七～第十七的任一个方式的等离子体生成装置中，在至少包含所述导入侧缩径管、所述扩径管和所述排出侧缩径管的所述管部内插入探测器(プロ一ブ)，或把所述管部用作探测器对等离子体的物性量进行测定。

本发明第十九方式是，在上述第一～第十八的任一个方式的等离子体生成装置中，所述等离子体行进路的有效全长、直径、弯曲数以及弯曲角的总和的任意一个或其组合，以满足微滴降低条件的方式被设定着。

本发明第二十方式是，在上述第十九方式的等离子体生成装置中，所述有效全长被设定为1600～900mm。

本发明第二十一方式是，在上述第十九方式的等离子体生成装置中，所述直径被设定为200～90mm。

本发明第二十二方式是，在上述第十九方式的等离子体生成装置中，所述弯曲数被设定为3～1。

本发明第二十三方式是，在上述第十九方式的等离子体生成装置中，所述弯曲角的总和被设定为150～90°。

本发明第二十四方式是，在上述第一～第二十三的任一个方式的等离子体生成装置中，所述等离子体发生部中的电弧电流值在140～30A的范围被调整。

根据本发明第一方式，所述等离子体发生部具有将所述阴极的外围包围的外围部件，在所述外围部件的内侧，配置有用来捕集从所述阴极副生出的微滴的捕集部件，至少所述捕集部件和所述外围部件被保持在电中性的浮游状态，因此，可以使所述等离子体与所述外围部件、所述捕集部件撞击，对等离子体的输送效率的降低加以抑制。进而，可以使在所述阴极外围飞散的所述微滴高效率地撞击所述捕集部件而附着在捕集部件上、被去除。换言之，在由所述捕集部件回收微滴时不会发生放电现象，不会发生能量损失。由此，可以与所谓的等离子管接近地设置所述捕集部件，高效率地进行微滴去除，把高纯度且高能量的等离子体向所述等离子体行进路送出。

由于所述捕集部件(也被称作“回收部件”)被保持在电中性的浮游状态，所以，可以用与阳极相同的材料形成。而且，在所述捕集部件由与阴极相同的材料形成的情况下，即使当等离子体生成时所述捕集部件的温度上升、离子从其表面热放出，由于与等离子体中的离子为相同的物质，所以可以保持等离子体的纯度。例如，在阴极由碳材料构成的情况下，如果所述捕集部件由相同的碳材料形成，即使在所述捕集部件部分发生某种异常放电的情况下、相同的碳被离子化、与等离子体一起被运送到等离子体被处理物进行成膜，也不会成为不纯物。但是，在使用生成物以外的捕集部件的场合会成为不纯物。上述捕集部件也可以由与阴极、阳极材料不同的物质形成，可以不论导电性物质(W、Mo、Ta、Fe、Al、Cu材料或不锈钢等)或是非导电性物质(陶瓷等)选择最合适的材料。

另外，即使在上述等离子体行进路施加偏压的场合，由于上述外围部件通过绝缘体与上述等离子体行进路的始端连接，也可以将上述外围部件保持在电中性的浮游状态。但是，上述等离子体行进路被设定成电中性的浮游状态更好，可以抑制上述等离子体行进路中的等离子体的衰减、提高等离子体的运送效率。

根据本发明第二方式，多个所述捕集部件，沿所述等离子体的行进方向，在所述阴极的周围，按多层状配置在所述外围部件的内侧，因而，可捕集微滴的面积变大，可以谋求提高微滴去除效率。由于微滴不仅在等离子体行进方向侧前进，有时还会撞击上述外围部件内壁而反弹回来后向上述阴极外围飞散，因此，最好在上述阴极的后方、侧方也进行配置。即，当把上述捕集部件按多层状配置在包括后方的阴极外围整个区域时，可以捕集四散到阴极的后方、侧方的微滴，可以防止反弹回来并又返回前方的微滴混入等离子体流中。

根据本发明第三方式，所述捕集部件由穿设有用来使所述等离子体流过的中空部的环状部件构成，多个相同形状的所述环状部件被配置成多层状，因而，例如通过使用多个中空环状的捕集部件，把它们隔开规定间隔按多层状配置在上述外围部件内壁，能够扩大可捕集微滴的面积而提高微滴去除效率，而且能够使高效率地去除了微滴的高纯度等离子体穿过各捕集部件的中空部顺畅地送出到上述等离子体行进路侧。

根据本发明第四方式，多个所述捕集部件，包含所述中空部的大小不同的环状部件，以沿所述等离子体的行进方向使各中空部的大小渐次扩大的方式，把多个所述环状部件配置成多层状，因而例如通过使各个捕集部件具有环状的形态，使用多个各自的中空部大小渐次扩大的捕集部件，按照中空部大小的顺序使各部件朝上述阴极前方的等离子体行进空间隔开规定间隔以多层状设置在上述外围部件内壁，由此，与上述第三方式同样地，能够扩大可捕集微滴的面积、提高微滴去除效率。而且，由于各环的中空部形成从阴极向前方呈大致到圆锥梯形地排列着的等离子体行进空间，因此，可以一边高效率地去除微滴，一边降低从上述阴极向前方大致呈圆锥形扬声器状放射的所产生的等离子体与上述捕集部件发生撞击的比例，使得高纯度等离子体穿过上述等离子体行进空间而顺畅地行进成为可能，可以有效利用所产生的等离子体。本发明中的捕集部件的形态不限于上述环形，也可以为非环形物，例如也可以是舌片状或突起形态的部件，当为非环形物时，呈放射状地突设配置在上述外围部件内壁。

根据本发明第五方式，形成所述等离子体行进路的管部被设定成电中性的浮游状态。因此，能够对等离子体与上述管部的内面撞击产生能量损失而造成等离子体运送效率降低的情况加以抑制。所谓等离子体行进路，是指等离子体被引导的从等离子体发生部到等离子体处理部(包括等离子体加工部)为止的路径。等离子体行进路一般由附设了一个以上的磁发生器的管部构成，该磁发生器通过电磁相互作用来引导等离子体，等离子体行进路被赋予了作为除去微滴的过滤管的功能。

根据本发明第六方式，所述阳极，是与所述外围部件电绝缘地配设着的环状电极，所述环状电极的内径沿等离子体的行进方向缩小。因此，所产生的等离子体高效地向等离子体行进路被引导，而且，具有作为孔阑的功能，可以对微滴进入等离子体行进路的情况加以抑制。

根据本发明第七方式，所述去除微滴的微滴去除部配置在所述等离子体行进路上，所述微滴去除部由扩径管、与所述扩径管的等离子体导入侧始端连接着的导入侧缩径管、与所述扩径管的等离子体排出侧终端连接着的排出侧缩径管，和形成在所述扩径管的所述始端和所述终端的台阶部构成。因此，从上述导入侧缩径管导入到上述扩径管内的等离子体流在由上述扩径管产生的上述等离子体行进路的扩径作用下被扩散。通过所述等离子体流的扩散，混入等离子体的微滴也在上述扩径管内扩散，因此，与上述台阶部附近以及上述扩径管的内侧壁撞击而被附着、回收。而且，当上述扩径管内的等离子体流被排出时，在从上述扩径管向上述排出侧缩径管的缩径作用下，飞散到上述扩径管内壁面侧的微滴与台阶部撞击而被附着、回收，不会与等离子体流合流而可以防止微滴的再次混入。因此，可以使微滴附着在上述台阶部附近以及上述扩径管的内侧壁、充分被回收，可以在上述等离子体行进路中将微滴有效去除。而且，当使扩径管与导入侧缩径管和/或排出侧缩径管的中心轴不一致而使其偏心时，可以使微滴易于从等离子体流分离，进一步提高微滴的捕集效果。而且，仅仅通过在上述等离子体行进路中设置上述扩径管，就可以简单并且廉价地构成微滴去除部，进而可以使用通过提高微滴去除效率获得的高纯度的等离子体提高成膜等的表面处理精度，显著提高被处理物表面的表面改质、形成膜的均匀性。

在上述扩径管上可以配置用来产生该扩径管的截面周向上的旋转磁场的旋转磁场施加机构，通过上述旋转磁场使上述微滴混合等离子体一边旋转一边行进，通过离心力可以使带电微滴、微小的微滴分离。

即使把所述导入侧缩径管和/或所述排出侧缩径管的管轴沿所述扩径管的管轴不进行弯曲地配置成线状，也可以通过使用了上述扩径管的上述等离子体行进路的扩径作用和缩径作用，将扩散在上述扩径管内的微滴有效回收、去除。但是，根据本发明第八方式，所述导入侧缩径管和/或所述排出侧缩径管的管轴相对于所述扩径管的管轴按规定弯曲角倾斜配置着，所述导入侧缩径管和/或所述排出侧缩径管与所述扩径管连接着，因而，通过等离子体行进路的弯曲，可以使微滴直线行进而从等离子体流分离，与上述扩径管的内壁面以及/或上述排出侧缩径管的内壁面撞击而被附着、回收。未被上述扩径管的内壁吸附而发射了的微滴可以与台阶部撞击而被附着回收，使微滴可以有效被去除。上述等离子体行进路的弯曲部可以仅仅设置在导入侧、仅仅设置在排出侧，或在导入侧和排出侧二者都设置。因此，可以将混入等离子体流的微滴高效分离，使高纯度化的等离子体流从上述排出侧缩径管排出，提高微滴去除效率。而且，与上述相同，通过使导入侧缩径管与扩径管的管轴偏心、使排出侧缩径管与扩径管的管轴偏心，可以取得比管轴一致的情况下更高的微滴回收效率。

在使上述导入侧缩径管和上述排出侧缩径管的管轴方向相互平行或大致平行地进行平行配置的情况下，可能无法将混入在上述扩径管内流通的等离子体流的中心附近的微滴分离，而通过上述排出侧缩径管，流到被等离子体处理部侧。但是，根据本发明第九方式，所述导入侧缩径管和所述排出侧缩径管的管轴相对于所述扩径管相互交叉地配置着，因此，从上述扩径管排出的等离子体流与相对于上述导入侧缩径管交叉的方向上的上述排出侧缩径管内壁撞击，一边呈S形行进一边在上述排出侧缩径管内流通。因此，在与上述台阶部附近以及上述扩径管的内侧壁撞击而将微滴附着、回收之后，即便混入等离子体流的中心附近的微滴从上述扩径管排出，微滴也会直线行进而与上述排出侧缩径管内壁撞击，被附着、回收，因此，可以更为高效地去除微滴。

根据本发明第十方式，所述等离子体行进路具有与所述等离子体发生部连接着的直线管，所述导入侧缩径管与所述直线管垂直或大致垂直地连接，在所述直线管的终端配设着微滴捕集部，因此，在上述等离子体发生部产生的微滴的一部分沿上述直线管直线行进，而被上述微滴捕集部捕集回收。所以，微滴的一部分被除去了的等离子体流，通过等离子体行进路的弯曲作用，流入相对于上述直线管垂直或大致垂直地连接着的上述导入侧缩径管，所以，借助与本发明涉及的等离子体行进路中由微滴去除部对微滴进行去除的共同作用的效果，可以将微滴高效率地去除。

在等离子体行进路中设置微滴去除部的情况下，必须通过剥离回收对附着在内壁的微滴进行清扫，而随着清扫时等离子体行进路的分解等，可能会降低等离子体生成装置的工作效率。在此，根据本发明第十一方式，所述扩径管由内周管和外周管构成，所述内周管可相对于所述外周管自由插拔，因而，可以随时交换被微滴污染了的上述内周管，提高微滴清扫作业性，不会降低等离子体生成装置的工作效率而可以顺畅地进行等离子体生成处理。在上述内周管的内面形成多个微滴捕集板，易于将内周管拔出对微滴捕集板进行清扫、修理。只要把内周管通过绝缘圈等绝缘件固定在外周管上，就可以将内周管与外周管电绝缘。

根据本发明第十二方式，在所述内周管的内壁上立设着多个微滴捕集板，因而，增大了上述扩径管内的微滴附着表面积，可以大量并可靠地附着、回收飞散的微滴，实现等离子体流的高纯度化。进而，通过设置多个微滴捕集板，可以使微滴在微滴捕集板之间反复进行反射，使其能量损失，因而能更可靠地捕集微滴。

在等离子体行进路中，设置多个上述第十二方式涉及的微滴捕集板时，虽然可以增大微滴去除面积，但是，由于行进路形状或内径等的形态条件，产生了设置数量被限定的问题。关于该问题，本发明的发明人经锐意研究，结果注意到，通过在上述微滴捕集板的表面实施粗糙面加工，可以使微滴易于附着在所述粗糙面上，可谋求提高微滴的捕集率。即，根据本发明第十三方式，所述微滴捕集板的表面实施了粗糙面加工，因而，增大了上述微滴捕集板的捕集面积和附着强度，有望提高捕集效率、提高微滴去除效率。

虽然把上述微滴捕集板相对于上述内周管的内壁与管轴垂直地设置也具有捕集效果，但是，根据本发明第十四方式，所述微滴捕集板朝所述导入侧缩径管斜行配置着，因而，可增加微滴在微滴捕集板间进行再次反射捕集效率，减少逃逸的微滴，而且，加大了流入到上述扩径管内的微滴的承受面积，有望进一步提高上述微滴捕集板的捕集效率、提高微滴去除效率。

根据本发明第十五方式，所述导入侧缩径管和所述排出侧缩径管上配设着微滴捕集用孔阑，因而，例如使用将等离子体行进路的管径缩小、或通过偏心而使开口形状变形的孔阑，捕集在等离子体行进路的始端和终端直线行进的微滴而有望提高微滴去除效率。

根据本发明第十六方式，多个所述扩径管通过缩径管连接着，因而，可以在多个阶段去除微滴，生成高纯度的等离子体流。在此情况下，与上述同样地，使扩径管与扩径管的管轴偏心的话就可以提高微滴捕集效率。

根据本发明第十七方式，所述导入侧缩径管、所述扩径管和所述排出侧缩径管，与所述等离子体发生部和所述被等离子体处理部电绝缘。即便在上述导入侧缩径管、上述扩径管和上述排出侧缩径管上施加电压的情况下，由于上述导入侧缩径管和上述排出侧缩径管通过绝缘体与上述等离子体行进路连接，可以使上述等离子体行进路的管部被保持在导电性为中性的浮游状态，同时，将上述等离子体发生部与上述被等离子体处理部电绝缘。在把内周管隔着绝缘件插入扩径管的内部的场合，内周管成为与其它管部电浮动(浮游)的状态，而在该场合，内周管也构成管部。被等离子体处理部，是指对等离子体处理物进行表面处理的加工部。仅仅通过在管部的始端侧和等离子体发生部之间夹装绝缘用的板、在管部的终端侧与被等离子体处理部之间夹装绝缘用的板，实现了电绝缘。通过所述电绝缘，可以使管部(等离子体运送部)的带电性浮动。通常，等离子体发生部被设定为高电位，被等离子体处理部接地，所以，通过上述电绝缘，可以把管部保持在与高电位及GND分离的浮动状态。通过所述带电性的浮动性，可以消除对等离子体的电磁作用、消除对等离子体的运送效率的影响，即便管部的全长变长也可以抑制管部中的等离子体量和等离子体密度的降低、防止等离子体运送效率的降低。

根据本发明第十八方式，可以在至少包含所述导入侧缩径管、所述扩径管和所述排出侧缩径管的等离子体运送用的管部内插入探测器，对等离子体物性量进行测定。等离子体物性量是指离子密度、电子密度、等离子体移动速度、等离子体温度等的等离子体参数。把上述探测器插入管部内时，有时会在等离子体流中引起扰动，尽量把探测器调整成难以引起扰动的大小。被插入的探测器的个数可以选择为1根、2根等能做各种选择。为了避免上述扰动，可以不插入上述探测器，而是把管部自身用作探测器。在上述探测器或作为探测器使用的管部上施加的电位的极性被选择为+或-，其电位强度也被实施种种调整。而且，由于等离子体具有导电性，所以在与所述等离子体接触的管部施加等离子体电位。因此，完全不施加外部电压，通过测量管部与GND间的电压，就可以从施加在上述管部的等离子体电位测定等离子体参数。有从探测器输出的波形或波高等的值与上述等离子体参数直接对应的情况，而且也可以通过规定的计算将等离子体参数导出。当然，在探测器中使用的技术手段，可以对应于等离子体的状态加以调节。

在完成本发明的过程中，本发明发明人获知，为了达成微滴降低条件的目标，上述等离子体行进路的有效全长、直径、弯曲数以及弯曲角的总和的任一个或其组合等的几何要素为有效要素。于是，根据本发明的第十九方式，所述等离子体行进路的有效全长、直径、弯曲数以及弯曲角的总和的任意一个或其组合，以满足微滴降低条件的方式被设定着，因而，设置在上述等离子体行进路中的上述微滴去除部的微滴去除效果可以进一步得以提高。

根据本发明第二十方式，作为上述有效要素之一的所述有效全长被设定为1600～900mm，由此，可以进一步提高设于上述等离子体行进路的上述微滴去除部的微滴去除效果。

根据本发明二十一方式，作为上述有效要素之一的所述直径被设定为200～90mm，由此，可以进一步提高设于上述等离子体行进路的上述微滴去除部的微滴去除效果。

根据本发明第二十二方式，作为上述有效要素之一的所述弯曲数被设定为3～1，由此，可以进一步提高设于上述等离子体行进路的上述微滴去除部的微滴去除效果。

根据本发明第二十三方式，作为上述有效要素之一的所述弯曲角的总和被设定为150～90°，由此，可以进一步提高设于上述等离子体行进路的上述微滴去除部的微滴去除效果。

本发明发明人获知，除了上述有效要素的几何要素之外，上述等离子体发生部的电弧电流值也是微滴去除的有效要素。即，根据本发明第二十四方式，所述等离子体发生部中的电弧电流值在140～30A的范围被调整，由此，可以进一步提高设于上述等离子体行进路的上述微滴去除部的微滴去除效果。

附图说明

图1是本发明涉及的等离子体生成装置的实施例的简要构成图。

图2是本发明涉及的另一个等离子体生成装置的实施例的简要构成图。

图3是本发明涉及的又一个等离子体生成装置的实施例的简要构成图。

图4具有微滴捕集板38的内周管36的局部放大截面图。

图5是微滴捕集板38及其构造体的简要说明图。

图6是表示等离子体行进路的有效全长L(mm)、直径D(mm)、弯曲数N_B与附着到每单位面积的被处理物的微滴附着数量的关系的图表。

图7是表示等离子体行进路的弯曲角的总和θ(°)以及电弧电流值I(A)与微滴去除率的相关关系的图表。

图8是多个扩径管的简要配置构成图。

图9是表示2个扩径管更多样式的连接形态的概念图。

图10是本发明涉及的等离子体生成装置的另一实施例的简要构成图。

图11是表示等离子体通过配设在扩径管内的孔阑的偏心通过孔的状态的图。

图12是与本发明的课题相关的等离子体生成装置的简要构成图。

图13是现有的等离子体生成装置的简要构成图。

附图标记说明

1等离子体生成装置

2等离子体发生部

3扩径管

3a壁面

4阴极

5等离子体行进路

6触发电极

7连接行进路

7a主弯曲部

7b导入弯曲部

7c排出弯曲部

8阳极

9微滴混合等离子体

9a等离子体流

9b等离子体流

10电弧电源

12等离子体加工部

14被处理物

16等离子体稳定化磁场发生器

18微滴

20微滴捕集部

23径向磁场发生器

23a径向磁场发生器

24直线行进磁场发生器

25孔阑

25a偏心通过孔

26第一磁场发生器

27阴极保护件

28弯曲磁场发生器

30第二磁场发生器

31第三磁场发生器

32微滴行进路

33微滴捕集板

34导入侧缩径管

35外周管

36内周管

37缩径管用微滴捕集板

38微滴捕集板

38a粗糙面

39排出侧缩径管

40台阶部

41直线管

42孔阑

44加工部侧绝缘板

46绝缘件

48偏压电源

49探测器电源

50孔阑

51孔阑

102等离子体发生部

104阴极

106触发电极

108阳极

109等离子体

110电源

112等离子体加工部

114被处理物

116a等离子体稳定化磁场发生器

116b等离子体稳定化磁场发生器

118阴极材料微粒(微滴)

120微滴捕集部

200扩径管

201扩径管

202中继缩径管

203导入侧缩径管

204排出侧缩径管

300等离子体被处理物

301等离子体加工部

302等离子体流通路

303肋

304阴极

306触发电极

307电弧电源

308等离子体

309壳体

401等离子体加工部

402等离子体行进路

402a行进路始端部

403绝缘体

404等离子体

405阳极

406微滴去除装置

407阴极

408触发电极

409电弧电源

411捕集部件

412等离子体行进路

413微滴捕集部

414等离子体

415微滴

416微滴去除装置

417孔阑

418微滴捕集板

420外围部件

500外围部件

501捕集部件

A1～A7捕集部件

B1～B9捕集部件

具体实施方式

以下，根据附图详细说明本发明涉及的等离子体生成装置的实施方式。本发明中，附设有对被处理物进行加工的等离子体加工部(被等离子体处理部)的装置或未附设等离子体加工部的装置的双方都作为等离子体生成装置被包含在内。具有等离子体加工部的等离子体生成装置，也可以被称作等离子体加工装置。

图1是本发明涉及的等离子体生成装置的简要构成图。图1所示等离子体生成装置，由在真空气氛下通过真空电弧放电产生等离子体的等离子体发生部(等离子管)、等离子加工部401以及等离子体行进路402构成。本发明的说明书中，等离子体行进路402表示等离子体被引导的从等离子体发生部(等离子体管)到等离子体加工部401为止的路径，如后述那样，等离子体行进路402，由附设有一个以上借助电磁相互作用对等离子体进行引导的磁发生器的管部构成，被赋予了去除微滴的过滤管的功能。例如，等离子体行进路402可以被形成为使等离子体直线行进，但最好设置一处以上只引导等离子体的弯曲部。进而，如后述那样，可捕集直线行进的微滴的口袋状的捕集部与等离子体行进路402的弯曲部连接。图1的等离子体行进路402具体记载了用来去除微滴的构造等，但是如后述那样，等离子体行进路402的构造、附设装置可以根据目的进行适当选择。

等离子体发生部由阴极(cathode)407、触发电极408、阳极(anode)405以及电弧电源409构成。阴极407是等离子体构成物质的供给源，其形成材料只要是具有导电性的固体即可，没有特别限定，可以将金属单体、合金、无机单体、无机化合物(金属氧化物、氮化物)等单独使用或将2种以上混合使用。阳极405的形成材料只要是在等离子体温度也不会蒸发的、非磁性的材料而且是具有导电性的固体即可，没有特别限定。上述阳极405具有沿等离子体的行进方向缩径的环状的构造，还具有孔阑的功能。但是，上述阳极405的形状只要不是将等离子体404整体的行进大幅度遮蔽的形状即可，没有特别限定。

阴极407的外围，被外围部件420包围。外围部件420通过绝缘体403与等离子体行进路402的始端402a连接着。等离子体行进路402的后端开口，为了导入从上述等离子管发生的等离子体404，而与等离子体加工部401的等离子体到入口连接着。在等离子体加工部401的内部，在等离子体照射位置设置着等离子体被处理物(未图示)，可以根据目的实施等离子体处理。在外围部件420的内侧，设置着由多个对等离子体发生时从阴极407副生出的微滴进行捕集的捕集部件411按多层状构成的微滴去除装置406。进而，在外围部件420的终端部、行进路始端部402a或它们的连接部或其附近，设置微滴捕集用的孔阑417，可以对微滴进入等离子体行进路402的情况加以抑制。孔阑417可以与上述绝缘体403形成为一体，也可以更简单地设置孔阑417。上述外围部件420以及上述等离子体行进路402(包含行进路始端部402a)与电弧电源409没有连接关系，被保持在电中性的浮游状态。而且，在上述等离子体行进路402和外围部件420由SUS等金属材料形成、阴极407由碳素物质形成的场合，在捕集部件411使用与阴极407相同的物质构成的碳素石墨(カ一ボングラフアイト)等碳素材料。

在上述构成的等离子体生成装置中，电中性的微滴，通过惯性力向阴极407外围飞散，与配置在外围部件420上的各捕集部件411撞击、附着而被回收。在回收该微滴时，外围部件420被保持在电中性的浮游状态，所产生的等离子体404中的电子未被拽到外围部件420侧，而是向从阴极407离开的阳极405侧的行进路始端部402a移动。因此，在微滴去除装置406回收微滴时不会发生放电现象，不会产生能量损失。由此，由于可以与上述等离子管相接近地设置捕集部件411，所以可以高效率地去除微滴，可以把高纯度而且高能量的等离子体向等离子体行进路402送出。

各捕集部件411，由穿设有用来使等离子体流过的中空部的中空环状的环状平板构成，有碳素石墨、SUS等构成。上述微滴去除装置406具有把多个同一形状的捕集部件411按规定间隔配置、集聚成多层状的构造，装拆自如地安装在外围部件420内周。捕集部件411因附着微滴而被污染时，可以把微滴去除装置406从外围部件420拔下对各捕集部件411进行清扫。

各捕集部件411包围阴极407，沿产生等离子体的行进方向在外围部件420的内侧配置成多层状，因此，可捕集微滴的面积变大，可以谋求提高微滴去除效率。微滴不仅在等离子体行进方向侧直线行进，而且有时也与外围部件420内壁撞击而向后方弹回，在阴极407外围飞散，因此，在阴极407的后方、侧方也配置捕集部件411，对四散到阴极407的后方、侧方的微滴进行捕集，防止回弹而返回前方的微滴混入等离子体流。如果在等离子体行进路402内壁也设置微滴去除用捕集部件的话，可以进一步提高微滴去除效果。

图2是本发明涉及的另一个等离子体生成装置的简要构成图。图2中，对与图1相同的部件赋予相同的附图标记并省略其说明。该等离子体生成装置，设有相对于等离子体发生部(等离子管)大致呈直角弯曲而形成的等离子体行进路412，微滴去除装置416装拆自如地安装在外围部件420内周。外围部件420与图1的等离子体生成装置同样地，通过绝缘体403与等离子体行进路412的始端连接，外围部件420和等离子体行进路412被设定成电中性的浮游状态。

上述微滴去除装置416，具有把多个捕集部件A1～A7、B1～B9按规定间隔集聚成多层状的构造，装拆自如地安装在外围部件420内周。各捕集部件由穿设有使等离子体流过的中空部的中空环状的环状平板构成，由碳素石墨等碳素材料或Ti、W、SUS等金属材料形成，如上述那样，最好由与阴极407相同的物质形成。各捕集部件各自的中空部的内径不同。位于阴极407前方的捕集部件A1～A7，以使各中空部的大小沿等离子体414的行进方向逐渐扩大的方式，被配置成多层状。而且，在阴极407的后方、侧方，以围着阴极407的方式也配置着捕集部件B1～B9，对四散到阴极407的后方、侧方的微滴进行捕集，防止回弹而返回前方的微滴混入等离子体流。上述各捕集部件只要被保持在电中性的浮游状态即可，采用陶瓷等非导电性物质形成的捕集部件也可以。

在上述微滴去除装置416中，把捕集部件A1～A7按照中空部的大小的顺序，朝阴极407前方的等离子体行进空间隔开规定间隔在外围部件420内壁设置成多层状，因此，扩大了可捕集微滴的面积，可以提高微滴去除效率。而且，捕集部件A1～A7的中空部形成从阴极407向前方大致排列成到圆锥梯形的等离子体行进空间。因此，可以在高效率地去除微滴的同时，降低从阴极407向前方大致呈圆锥形扬声器放射地产生的等离子体414无益地与各捕集部件发生撞击的比例，可以使高纯度的等离子体穿过等离子体行进空间顺畅地行进、有效利用等离子体。在进行所述微滴的回收时，与图1的等离子体生成装置同样地，由于外围部件420、捕集部件416和等离子体行进路412被保持在电中性的浮游状态，因此，不会发生放电现象，不会产生能量损失。

进而，在等离子体发生部产生的微滴415为电中性，借助惯性力直线行进，被与等离子体发生部相向设置着的微滴捕集部413捕集，因而，直线行进的微滴415被微滴捕集部413回收后的等离子体414可以导入等离子体行进路412。而且，在微滴捕集部413的内壁相对于直线行进的微滴415倾斜地配设着多个微滴捕集板418，可以防止微滴415被壁面反射而再次混入等离子体414中。因此，根据图2的等离子体生成装置，由微滴去除装置416将阴极407外围飞散的微滴去除的同时，由微滴捕集部413捕集直线行进的微滴415，因而，借助这些微滴去除的共同作用的效果，可以把更高纯度的等离子体向等离子体行进路412送出。高纯度等离子体被设于等离子体行进路412的弯曲磁场发生器(未图示)通过磁力作用被弯曲引导向等离子体加工部侧。

图3是本发明涉及的又一个等离子体生成装置的简要构成图。图3所示的等离子体生成装置1由等离子体发生部2、等离子体加工部12以及等离子体行进路构成。在等离子体行进路5配置着用来把产生等离子体时从阴极4副生的微滴去除的微滴去除部。该微滴去除部由形成等离子体行进路5的扩径管3、与扩径管3的等离子体导入侧始端连接着的导入侧缩径管34、与扩径管3的等离子体排出侧终端连接着的排出侧缩径管39，和形成于扩径管3的始端和终端的台阶部40构成。连接行进路7与导入侧缩径管34的前段连接着。

从等离子体发生部2向前方配设着直线管41，从该直线管41通过弯曲角θ₁为90°的主弯曲部7a设置着上述连接行进路7。从该连接行进路7的主弯曲部7a向前方、在上述直线管41内形成微滴行进路32。扩径管3与导入侧缩径管34通过导入弯曲部7b交叉着连接，该实施例中，上述导入弯曲部7b的弯曲角θ₃为30°。而且，排出侧缩径管39与扩径管3的弯曲角θ₃也设定为30°，弯曲角的总和θ(＝θ₁+θ₂+θ₃)为150°。扩径管3由内周管36和外周管35构成。外周管35与等离子体流的行进无关，是内周管36的保护部件，内周管36通过绝缘圈等绝缘件46安装在外周管35内，内周管36与外周管35电绝缘。内周管36能和绝缘件46一体地与外周管35分离而被取出，相对于外周管35插拔自如地安装着。

等离子体发生部2设有阴极4、触发电极6、阳极8、电弧电源10、阴极保护件27，和等离子体稳定化磁场发生器(电磁线圈或磁铁)16，阳极8与电弧电源10的+电位连接着。阴极保护件27将进行蒸发的阴极表面以外电绝缘，用来防止阴极4与阳极8之间产生的等离子体向后方扩散。等离子体稳定化磁场发生器16配置在等离子体发生部2的外周，将等离子体稳定化。在把电弧稳定化磁场发生器16配置成使对等离子体施加的磁场成为相互反向(凹坑形(ガスプ形))的情况下，等离子体更为稳定化。而且，在等离子体发生部2与直线管41的连接部设有孔阑42。进而，自直线管41向前方部的带电性处于浮动状态，构成为，使等离子体在等离子体行进路内不受电的影响。而且，在排出侧缩径管39与等离子体加工部12之间也夹装着加工部侧绝缘板44。其结果，从直线管41到排出侧缩径管39为止的等离子体运送用的管部的整体，被设定成电中性的电浮动状态，抑制了等离子体的能量损失。

电源48与内周管36连接，可以把内周管36设定为+电位、或-电位，可以对上述等离子体参数进行探测。选择+或-是在使等离子体运送效率不被降低的方向进行选择，由等离子体的状态进行判断。电位强度也可以改变，从运送效率的观点出发，通常选择把内周管36设定成+15V。在外周管35上连接着探测器电源49，对与外周管35导通的上述管部的电位进行调节。由于等离子体自身具有等离子体电位，所以管部的电位为上述探测器电位与等离子体电位重叠成的合成电位。当在管部与GND之间连接示波器时，可以测定上述合成电位的波形，可以通过其波峰值、周期等测定等离子体参数。在未连接探测器电源的情况下，管部的电位变成上述等离子体电位，通过在管部与GND之间连接示波器可以测量等离子体电位。由于等离子体自身具有导电性，所以，管部的电位反映等离子体电位，因而可以理解上述内容。

等离子体发生部2，在阴极4与触发电极6之间产生电火花，在阴极4与阳极8之间产生真空电弧而生成等离子体。构成该等离子体的粒子，包含来自上述阴极4的蒸发物质、与蒸发物质引起反应气体的带电粒子(离子、电子)，还包含等离子体前状态的分子、原子的中性粒子。而且，在放出等离子体构成粒子的同时，放出尺寸为从亚微米以下到数百微米(0.01～1000μm)的微滴18。该微滴18形成与等离子体流的混合状态，作为微滴混合等离子体9在等离子体行进路7内移动。

在配置在等离子体行进路5的微滴去除部中，从导入侧缩径管34导入扩径管3内的等离子体流在扩径管3产生的等离子体行进路的扩径作用的作用下被扩散。其等离子体流9b扩散，而混入等离子体的微滴直线行进所以一边撞击扩径管3的管内壁面一边在扩径管3的内部扩散。借助所述扩散，使等离子体流的中心部分的微滴减少，变迁成大量微滴分布在等离子体流的外周的状态。通过这样的分布变化，使微滴18撞击台阶部40附近以及内周管36的内壁面而被附着、回收。另外，内周管36内的等离子体流被排出时，在从内周管36向排出侧缩径管39的缩径作用的作用下，可以防止飞散到内周管36内侧壁侧的微滴与等离子体流9b合流而再次混入。从排出弯曲部7c飞出的微滴18直线行进并与排出侧缩径管39的内壁面撞击而被回收，而等离子体流9b在磁场作用下沿排出弯曲部7c弯曲，与微滴18分离。结果，大部分微滴18从等离子体流9b被分离捕集，所以，能向等离子体加工部12供给纯粹的等离子体9a。因此，可以使微滴在台阶部40附近以及内周管36的内侧壁附着、充分回收，可以在等离子体行进路5中将微滴有效去除。而且，仅仅通过在等离子体行进路5中形成扩径管3就可以简单并且廉价地构成微滴去除部，把通过进一步提高微滴去除效率而获得的高纯度等离子体导入等离子体加工部12，可以提高成膜等表面处理的加工精度、使被处理物表面的表面改质、形成膜的均匀性得到极大提高。导入侧缩径管34和排出侧缩径管39的内径相同，与它们相对应的扩径管3的内周管36的扩径程度，约为前者的1.2～3倍左右即可。

阴极4的外围被外围部件500包围着。外围部件500通过绝缘体(未图示)与直线管41的始端连接，未与直线管41电导通。在外围部件500的内侧，多个用来捕集产生等离子体时从阴极4副生出的微滴的捕集部件501被配置成多层状。捕集部件501的构成与图1的捕集部件411相同。电中性的微滴，如在图1的等离子体生成装置1中说明了的那样，通过惯性力在阴极4外围飞散，与配置在外围部件500的各捕集部件501撞击、附着而被回收。在所述回收微滴的时候，外围部件500与直线管41不导通，被保持在电中性的浮游状态。即，外围部件500和阳极8都跟直线管41绝缘，等离子体中的电子不被拽向外围部件500侧，而是穿过从阴极4离开的环状的阳极8向直线管41移动。因此，与外围部件500导通的捕集部件501与阴极4之间不会发生放电现象，抑制了能量损失。由此，可以把捕集部件501接近阴极4进行设置，可以高效率进行微滴去除、生成高纯度而且高能量的等离子体。

由于扩径管3中的内周管36相对于外周管35插拔自如，因此，可以把被微滴污染了的内周管36随时进行更换，可提高微滴清扫作业性，在不降低等离子体生成装置1的工作效率的情况下顺畅地进行等离子体生成处理。

导入侧缩径管34和排出侧缩径管39，各自的管轴相对于扩径管3的管轴按照规定弯曲角(θ₂+θ₃＝60°)倾斜配置，相对于扩径管3的各个接合面为椭圆形。由此，由导入侧缩径管34、排出侧缩径管39以及扩径管3形成弯曲式的等离子体行进路，因而，可以使在扩径管3内扩散的微滴效率更高地与台阶部40附近以及扩径管3的内侧壁撞击附着而被回收。因此，可以高效率地将混入等离子体流的微滴分离，使高纯度化的等离子体流从上述排出侧缩径管排出，谋求提高微滴的去除效率。

在本实施方式中，是导入侧缩径管34和排出侧缩径管39的管轴与扩径管3的始端和终端按相同朝向进行连接的平行配置(θ₂＝30°、θ₃＝30°)的情况。另外，例如使排出侧缩径管39的管轴相对于扩径管3的管轴向反方向按30°进行倾斜(θ₃＝-30°)的话，就变成导入侧缩径管34和排出侧缩径管39的管轴与扩径管3的始端和终端相互交叉的交叉配置(θ₂＝30°、θ₃＝-30°)的情况，因此，从扩径管3排出的等离子体流可以与相对于导入侧缩径管34交叉的方向上的排出侧缩径管39的内壁撞击，一边呈S形行进一边在排出侧缩径管内流过。所以，与上述平行配置的情况相比较，即使微滴与台阶部40附近以及内周管36的内侧壁撞击、附着而被回收之后，使混入等离子体流的中心附近的微滴从内周管36排出，微滴也会直线行进而与排出侧缩径管内壁39撞击、附着而被回收，因此，可以更为高效率地去除微滴。

图4是具有微滴捕集板38的内周管36的局部放大截面图。在内周管36的内壁上立设着多张微滴捕集板38。微滴捕集板38的倾斜角α被设定在15～90°的范围，而经验上优选为30～60°，在该实施例中被设定为α＝45°。按该倾斜角，从等离子体流9b分离的微滴18可以如图示那样在微滴捕集板38进行多重反射而可靠地附着回收。

图5是微滴捕集板38的构造的局部截面图，图(5A)是其局部截面、图(5B)是一张微滴捕集板38的外观图。多张微滴捕集板38可以增大内周管36内的微滴附着表面积，可以大量且可靠地附着、回收飞散的微滴。在等离子体行进路中，由于内周管36的管长的限制，微滴捕集板38的设置张数受到制约，因而为了增大微滴去除面积，对微滴捕集板38的表面实施粗糙面加工，形成了具有无数个凹凸的粗糙面38a。由于微滴捕集板38的表面变成粗糙面38a，所以，可以增大微滴捕集板38的捕集面积、提高捕集效率。而且，与凹部撞击的微滴18可靠地在凹部被固着，极大增加了微滴捕集效率。在粗糙面加工38a中，可以使用刻痕加工、梨皮面加工。作为刻痕加工方法，例如采用通过研磨纸进行的研磨处理。作为梨皮面加工方法，例如采用通过氧化铝、硬粒、栅极、玻璃珠等进行的喷丸处理，尤其是，通过压缩空气等把数微米的颗粒加速而用喷嘴进行喷射的微喷丸加工，可以在微滴捕集板38的狭窄表面上实施细微凹凸加工。

由于如上所述，微滴捕集板很重要，因此再次加以描述。微滴捕集板38的捕集面如图5所示，相对于内周管36的内壁倾斜约45°。因此，在把微滴捕集板38安装在内周管36上的状态下，捕集面朝导入侧缩径管34斜行地进行配置，因而，流入内周管36内的微滴的承受面积变大。因此，可以通过提高微滴捕集板38的捕集效率而进一步提高微滴去除效率。另外，通过倾斜约45°，使被捕集的微滴与捕集面撞击、反射，可以防止微滴再次从捕集板飞散出。在导入侧缩径管34和排出侧缩径管39上也立设着多个同样的缩径管用微滴捕集板37。该缩径管用微滴捕集板37相对于缩径管内面呈90°地直立配置着，但与上述微滴捕集板18同样地以适当的倾斜角倾斜配置也可以，这一点自不必说。而且，在连接行进管7和微滴行进路32的管壁内面也配设着多个微滴捕集板33，但是在图中予以省略。关于这些微滴捕集板33的倾斜配置也和上述相同。

图3中，连接着连接行进路7的直线管32上配设着第一磁场发生器26、弯曲磁场发生器28，而且在连接行进路7和导入侧缩径管34的外周配设着第二磁场发生器30。在扩径管3的外周配置直线行进磁场发生器24，在排出侧缩径管39的外周也配置着第三磁场发生器31。第一磁场发生器26、第二磁场发生器30、第三磁场发生器31以及直线行进磁场发生器24设置用来使等离子体前进。通过斜行配置在弯曲部7a的弯曲磁场发生器28施加弯曲磁场，从等离子体发生部2放出的微滴混合等离子体9在折曲部7a被弯曲。此时，电中性的微滴18不受弯曲磁场的影响，通过惯性力沿微滴行进路32行进，被设置在微滴行进路32的终端的微滴捕集部20捕集。因此，可以使通过等离子体行进路的弯曲作用预先将微滴的一部分去除后的等离子体流，流入通过连接行进路7相对于微滴行进路32垂直或大致垂直地连接着的导入侧缩径管34，所以，借助与设置在上述等离子体行进路5上的微滴去除部对微滴进行去除的共同效果，可以将微滴高效率地去除。另外，由于导入侧缩径管34和排出侧缩径管39相对于扩径管3倾斜配置，从而可以进一步提高微滴捕集效率。

导入侧缩径管34的直径相对于连接行进路7稍稍缩径，通过其缩径作用也可以进行微滴的去除，而在与连接行进路7的连接部附近配设着微滴捕集用孔阑50。在排出侧缩径管39的等离子体加工部12侧开口附近配设着微滴捕集用孔阑51。孔阑50、51，例如可以采用将等离子体行进路的管径、或者偏心，或通过缩小、偏心使开口形状变形的圆板式孔阑。通过设置这些孔阑50、51，可望在等离子体行进路的始端和终端捕集直线行进的微滴提高微滴去除效率。

在上述构成涉及的等离子体生成装置1中，通过配置在外围部件500的捕集部件501、微滴捕集部20以及等离子体行进路5的微滴去除部、孔阑50、51将微滴去除之后的高纯度的等离子体9a，被配设在排出侧缩径管39的第三磁场发生器31的磁场引导着行进，被导入等离子体加工部12，进行被处理物14的表面处理。因此，可以由高纯度等离子体对被处理物表面实施均匀的表面改质、形成缺陷或不纯物少的高品质的薄膜。

根据本发明发明人获得的知识，为了达成微滴降低条件的目标，等离子体行进路的有效全长、直径、弯曲数以及弯曲角的总和的任一个或其组合等的几何要素为有效要素。图6和图7的(7A)示出了对这些几何要素的有效性进行认证后的结果。在所述认证中，以相同直径的管路形成了等离子体行进路的全长。

图6是表示等离子体行进路的有效全长L(mm)、直径D(mm)、弯曲数N_B与微滴去除率的相关关系的图表。图7的(7A)是表示等离子体行进路的弯曲角的总和(＝θ₁+θ₂+θ₃)与微滴去除率的相关关系的图表。图6中的纵轴N表示微滴向每单位面积(2.5inch×2.5inch)的被处理物的附着数。在成膜速度为10A/sec(A＝1nm)、例如进行10nm膜的形成的情况下，以N＜100作为在等离子体加工部12的表面处理能力的目标值，也就是设定了微滴降低条件的目标值。

从图6可知，通过把有效全长设定成1600～900mm、而且将管的直径设定成200～90mm，进而将弯曲数设定成3～1，可以满足上述微滴降低条件。

图7的(7A)中的纵轴N/N₀，表示与在仅有直线行进等离子体行进路的场合微滴向被处理物的附着数N₀的比较。N/N₀越是为1以下就越能提高在等离子体加工部12的表面处理能力，因而，将其设定成微滴降低条件的目标值。弯曲角是管路相对于等离子体流的行进所弯曲的角度。从图7(A)可知，通过把弯曲角的总和设定为150～90°，可以满足上述微滴降低条件。

基于上述的认证结果，通过把等离子体行进路的有效全长、直径、弯曲数以及弯曲角的总和的任一个或其组合以满足微滴降低条件的方式进行设定，从而可以进一步提高设置在等离子体行进路的微滴去除部的微滴去除效果。在上述实施方式中，等离子体行进路的有效全长、直径、弯曲数以及弯曲角的总和分别为1500mm、200mm、3(主弯曲部7a、导入弯曲部7b、排出弯曲部7c这三处)、150°(90°+30°+30°)，包含了上述几何要素的有效要素。

进而，在上述有效要素的几何要素之外，等离子体发生部2中的电弧电流值也对微滴向每单位面积(2.5inch×2.5inch)的被处理物的附着数造成影响。图7的(7B)中，示出了被处理物的微滴附着数与等离子体发生部2中的电弧电流值的关系。如上所述，上述表面处理能力的目标值为N＜100。如图(7B)所示，电弧电流值到达150A时，微滴附着数N超过100。根据该试验结果与本发明发明人的知识发现，通过将等离子体发生部2中的电弧电流值调整到140～30A的范围，可以满足上述表面处理能力的目标值，而且能够产生可等离子体处理的规定量以上的等离子体。

通过由缩径管连接多个扩径管，可以谋求提高微滴去除效率。

图8是多个扩径管配置的一例，表示通过中继缩径管202将两个扩径管200、201连接成直线状而成的等离子体行进路。导入侧缩径管203相对于扩径管201倾斜配置，扩径管201通过中继缩径管202与扩径管200连接，进而在扩径管200上连接着排出侧缩径管204。通过这些连接着的扩径管200、201，可以在多个阶段去除微滴、生成高纯度的等离子体流。但是，如图所示，使连接的管路的管轴不一致而偏心，提高了形成在扩径管200、201的台阶部处的微滴去除效果。另外，也可以将中继缩径管202弯曲地形成、在外部设置等离子体引导磁场发生部、使等离子体行进路的弯曲程度提高并连接多个扩径管。

图9是表示2个扩径管的更多样式的连接形态的概念图。(9A)表示使扩径管200、201的管轴一致的场合。在该场合，等离子体流P呈直线状行进，微滴D被扩径管的台阶部和内周面捕集。(9B)表示扩径管200、201的管轴错开的场合。在该场合，等离子体流P稍稍呈蛇形行进，借助所述蛇形行进使微滴D从等离子体流P分离，所以增强了台阶部对微滴D的捕集。(9C)表示导入侧缩径管203与排出侧缩径管204平行配置(θ₂＝0、θ₃＝0)的场合。倾斜角θ₂、θ₃是与图1所示的定义相同的。在该场合，等离子体流P直线行进，微滴D被扩径管的台阶部捕集。(9D)相当于将导入侧缩径管203和排出侧缩径管204斜行配置(θ₂＝-30°、θ₃＝-30°)的场合。结果，导入侧缩径管203与排出侧缩径管204平行。在该场合，等离子体流P呈S字形蛇行，通过所述S字形蛇行，强制使微滴D从等离子体流P分离，增强了微滴D被扩径管台阶部的捕集效果。(9E)表示将导入侧缩径管203和排出侧缩径管204斜行配置(θ₂＝30°、θ₃＝-30°)的场合。在该场合，导入侧缩径管203与排出侧缩径管204的管轴交叉。等离子体流P呈弯曲状蛇行，通过所述弯曲状蛇行，使微滴D从等离子体流P分离，增强了微滴D被扩径管台阶部捕集的效果。存在(9A)和(9B)的选择，进而存在(9C)～(9E)的选择，通过二者的组合而使多样性扩展。另外，当扩径管为三个以上时可进一步增加多样性，但是，选择的基准，是使微滴的捕集效率最大化，同时对等离子体运送效率的降低进行最大的抑制。利用本发明，可以扩展进行多种多样的选择的幅度。

图10是本发明涉及的等离子体生成装置的又一个实施例的简要构成图。与图3相同的部分使用相同的附图标记，其作用效果相同，因而省略其描述。以下对附图标记不同的部分说明其作用效果。

如图10所示，在扩径管3内配设着前后两个孔阑25，该孔阑25在偏心的位置具有通过孔25a。简要说明的话，等离子体流9b一边沿着扩径管3蛇行一边穿过偏心通过孔25a时，微滴18(也写成D)从等离子体流9b(也写成P)分离。即，伴随等离子体P的小微滴D，当等离子体P在孔阑25的偏心通过孔25a中弯曲而穿过时，向外侧飞出并与孔阑25的壁面撞击而被除去。构成等离子体行进路的直线管41、连接行进路7、导入侧缩径管34、扩径管3以及排出侧缩径管39全部被保持在电中性的浮游状态。

斜行磁场发生器由配设在扩径管3的外周面的直线磁场发生器24，和配置在其外周的径向磁场发生器23、23a构成。通过直线行进磁场和径向磁场的合成形成斜行磁场，等离子体P被所述斜行磁场引导，在孔阑25的偏心通过孔25a被弯曲而前进。

图10中，于始端侧的孔阑25，在左侧形成偏心通过孔25a，于终端侧的孔阑25，在右侧形成偏心通过孔25a。而且，始端侧的径向磁场发生器23把N极配置在图中的右侧、S极配置在左侧，终端侧的径向磁场发生器23把N极配置在图中的左侧、S极配置在右侧。因此，在扩径管3的始端侧形成从右侧向左侧的径向磁场，在终端侧形成从左侧向右侧的径向磁场。通过这些径向磁场于直线行进磁场发生器24产生的直线行进磁场的合成，在扩径管3的始端侧产生靠左的斜行磁场，在终端侧产生靠右的斜行磁场。等离子体P在扩径管3的始端侧被靠左的斜行磁场引导朝左弯曲而穿过始端侧的孔阑25的偏心通过孔25a。等离子体在终端侧被靠右的斜行磁场引导向右弯曲而穿过终端侧的孔阑25的偏心通过孔25a。

伴随等离子体P的小微滴D因等离子体P的弯曲而向外飞出并与始端侧的孔阑25和终端侧的孔阑25的壁面撞击而被除去。因此，可以用不含微滴D的纯度高的等离子体P对等离子体加工部12的被处理物14的表面进行处理。另外，在排出侧缩径管39配置着用来使等离子体9a向等离子体加工部12前进的第三磁场发生器31。

图11是表示等离子体穿过配设在扩径管内的孔阑的偏心通过孔的状态的说明图。如图所示，当等离子体P弯曲地穿过配设在扩径管3内的孔阑25的偏心通过孔25a时，伴随等离子体P的小微滴D在等离子体P弯曲时向外飞出。在始端侧飞出的小微滴D于孔阑25的壁面撞击而被除去。在终端侧飞出的小微滴D于未图示的终端侧的孔阑25的壁面撞击而被除去。

本发明不限于上述实施方式或变型例，不脱离本发明技术构思的范围的种种变型例、设计变更等当然也包含在本发明的技术范围内。

工业上的可利用性

本发明涉及的等离子体生成装置，与阴极外围的等离子管接近地设置微滴去除部，可以将高纯度的均匀的等离子体流导入被等离子体处理部。而且，使用由本发明涉及的等离子体生成装置生成的高纯度等离子体，可以在等离子体中在固体材料的表面形成缺陷、不纯物特别少的高纯度的薄膜，通过照射等离子体，可以在不产生缺陷、不纯物的情况下将固体的表面特性均匀地改质，例如可以高品质且高精度地形成固体表面的耐磨性、耐腐蚀性强化膜、保护膜、光学薄膜、透明导电性膜等。

Claims

1.一种等离子体生成装置，所述等离子体生成装置设有在真空气氛下的阴极与阳极间通过真空电弧放电产生等离子体的等离子体发生部，和由所述等离子体发生部产生的等离子体向被等离子体处理部侧行进的等离子体行进路，其特征在于，所述等离子体发生部具有将所述阴极的外围包围的外围部件，在所述外围部件的内侧配置有用来捕集在产生等离子体时从所述阴极副生出的阴极材料微粒(以下称为“微滴”)的捕集部件，至少所述捕集部件和所述外围部件被保持在电中性的浮游状态。

2.如权利要求1所述的等离子体生成装置，其特征在于，多个所述捕集部件，沿所述等离子体的行进方向，在所述阴极的周围，按多层状配置在所述外围部件的内侧。

3.如权利要求2所述的等离子体生成装置，其特征在于，所述捕集部件由穿设有用来使所述等离子体流过的中空部的环状部件构成，多个相同形状的所述环状部件被配置成多层状。

4.如权利要求2所述的等离子体生成装置，其特征在于，多个所述捕集部件，包含所述中空部的大小不同的环状部件，以沿所述等离子体的行进方向使各中空部的大小渐次扩大的方式，把多个所述环状部件配置成多层状。

5.如权利要求1～4中的任一项所述的等离子体生成装置，其特征在于，形成所述等离子体行进路的管部被设定成电中性的浮游状态。

6.如权利要求1～5中的任一项所述的等离子体生成装置，其特征在于，所述阳极，是与所述外围部件电绝缘地配设着的环状电极，所述环状电极的内径沿等离子体的行进方向缩小。

7.如权利要求1～6中的任一项所述的等离子体生成装置，其特征在于，去除所述微滴的微滴去除部配置在所述等离子体行进路上，所述微滴去除部由扩径管、与所述扩径管的等离子体导入侧始端连接着的导入侧缩径管、与所述扩径管的等离子体排出侧终端连接着的排出侧缩径管，和形成在所述扩径管的所述始端和所述终端的台阶部构成。

8.如权利要求7所述的等离子体生成装置，其特征在于，所述导入侧缩径管和/或所述排出侧缩径管的管轴相对于所述扩径管的管轴按规定弯曲角倾斜配置着，所述导入侧缩径管和/或所述排出侧缩径管与所述扩径管连接着。

9.如权利要求7或8所述的等离子体生成装置，其特征在于，所述导入侧缩径管和所述排出侧缩径管的管轴相对于所述扩径管相互交叉地配置着。

10.如权利要求7、8或9所述的等离子体生成装置，其特征在于，所述等离子体行进路具有与所述等离子体发生部连接着的直线管，所述导入侧缩径管与所述直线管垂直或大致垂直地连接，在所述直线管的终端配设着微滴捕集部。

11.如权利要求7～10中的任一项所述的等离子体生成装置，其特征在于，所述扩径管由内周管和外周管构成，所述内周管可相对于所述外周管自由插拔。

12.如权利要求11所述的等离子体生成装置，其特征在于，在所述内周管的内壁上立设着多个微滴捕集板。

13.如权利要求12所述的等离子体生成装置，其特征在于，所述微滴捕集板的表面实施了粗糙面加工。

14.如权利要求12所述的等离子体生成装置，其特征在于，所述微滴捕集板朝所述导入侧缩径管斜行配置着。

15.如权利要求7～14中的任一项所述的等离子体生成装置，其特征在于，所述导入侧缩径管和所述排出侧缩径管上配设着微滴捕集用孔阑。

16.如权利要求7～15中的任一项所述的等离子体生成装置，其特征在于，多个所述扩径管通过缩径管连接着。

17.如权利要求7～16中的任一项所述的等离子体生成装置，其特征在于，所述导入侧缩径管、所述扩径管和所述排出侧缩径管，与所述等离子体发生部和所述被等离子体处理部电绝缘。

18.如权利要求7～17中的任一项所述的等离子体生成装置，其特征在于，在至少包含所述导入侧缩径管、所述扩径管和所述排出侧缩径管的所述管部内插入探测器，或把所述管部用作探测器对等离子体的物性量进行测定。

19.如权利要求1～18中的任一项所述的等离子体生成装置，其特征在于，所述等离子体行进路的有效全长、直径、弯曲数以及弯曲角的总和的任意一个或其组合，以满足微滴降低条件的方式被设定着。

20.如权利要求19所述的等离子体生成装置，其特征在于，所述有效全长被设定为1600～900mm。

21.如权利要求19所述的等离子体生成装置，其特征在于，所述直径被设定为200～90mm。

22.如权利要求19所述的等离子体生成装置，其特征在于，所述弯曲数被设定为3～1。

23.如权利要求19所述的等离子体生成装置，其特征在于，所述弯曲角的总和被设定为150～90°。

24.如权利要求1～23中的任一项所述的等离子体生成装置，其特征在于，所述等离子体发生部中的电弧电流值在140～30A的范围被调整。