JP2002008893A - Plasma machining method - Google Patents

Plasma machining method

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JP2002008893A
JP2002008893A JP2000182158A JP2000182158A JP2002008893A JP 2002008893 A JP2002008893 A JP 2002008893A JP 2000182158 A JP2000182158 A JP 2000182158A JP 2000182158 A JP2000182158 A JP 2000182158A JP 2002008893 A JP2002008893 A JP 2002008893A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a plasma machining method easy to make the droplet capturing (depositing) and removing operations, capable of preventing droplet inclusion in the plasma machining part, and capable of making stable surface treatment of a base material (work to be treated). SOLUTION: Plasma is generated by performing vacuum arc discharge in a vacuum atmosphere into which a reactive gas is introduced if necessary, and the plasma is allowed to flow into the plasma machining part T, and the work 30 placed there T is subjected to a surface treatment process with plasma. The plasma flow P from the plasma generation part E is bent in the direction not confronting the plasma generation part and allowed to flow into the plasma processing part T, and the position confronting the plasma generation part E is made a droplet capturing part D to capture cathode material in the form of particulates (droplets) as biproduct from the cathode when plasma is generated.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、真空アーク放電に
より発生させたプラズマを利用して薄膜形成や表面改質
等の表面処理を行うのに好適なプラズマ加工法に属す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma processing method suitable for performing a surface treatment such as thin film formation or surface modification using plasma generated by vacuum arc discharge.

【0002】ここで、プラズマ加工法とは、放電プラズ
マによって発生するイオンを含む粒子を、被加工物(被
処理材物、さらには、基材、基板ともいう。)の表面に
堆積させて蒸着膜を形成したり、基材表面へ注入するこ
とにより表面硬化や構造変化などの表面改質を行った
り、基材のエッチングを行ったり、さらには、それらを
組み合わせて同時的に若しくは逐次的に行ったりする表
面処理加工のことをいう。
[0002] Here, the plasma processing method is to deposit particles containing ions generated by discharge plasma on the surface of a workpiece (also referred to as a material to be processed, further, a substrate or a substrate). Forming a film, performing surface modification such as surface hardening or structural change by injecting into the substrate surface, etching the substrate, and further combining them simultaneously or sequentially Or surface treatment.

【0003】[0003]

【背景技術】プラズマ中で固体材料の表面に薄膜を形成
したり、イオンを注入したり、エッチングしたりするこ
とで、固体の表面特性が改善されたり、固体表面へ新た
な機能を付与したりすることができることが知られてい
る。特に、金属イオンを含むプラズマを利用して形成し
た膜は、固体表面の耐磨耗性・耐食性強化や光学薄膜、
透明導電性膜として有用である。
2. Description of the Related Art By forming a thin film on a surface of a solid material in a plasma, by implanting ions, or by etching, the surface characteristics of the solid can be improved or a new function can be added to the solid surface. It is known that you can. In particular, films formed using plasma containing metal ions can be used to enhance wear resistance and corrosion resistance on solid surfaces, optical thin films,
It is useful as a transparent conductive film.

【0004】金属イオンを含むプラズマを発生する手法
として、真空アークプラズマ法がある。真空アークプラ
ズマは、陰極と陽極との間のアーク放電であり、陰極表
面に形成される陰極点から陰極材料が蒸発し、陰極蒸発
物質によるプラズマを形成するものである。また、雰囲
気ガスとして反応性ガスあるいは不活性ガス(希ガス)
あるいは両方同時に導入した場合には、該反応性ガスや
不活性ガスも同時にイオン化される。このようなプラズ
マを用いて、固体表面への薄膜形成やイオンの注入、若
しくはそれらを同時的又は逐次的に行なって表面処理加
工を行える。
As a technique for generating plasma containing metal ions, there is a vacuum arc plasma method. Vacuum arc plasma is an arc discharge between a cathode and an anode, in which a cathode material evaporates from a cathode spot formed on a cathode surface to form a plasma by a cathode evaporation material. In addition, a reactive gas or an inert gas (rare gas) is used as an atmosphere gas.
Alternatively, when both are introduced at the same time, the reactive gas and the inert gas are simultaneously ionized. Using such plasma, surface treatment can be performed by forming a thin film on a solid surface, implanting ions, or performing these processes simultaneously or sequentially.

【0005】一般に、真空アーク放電においては、陰極
点から金属イオン(陰極材料のイオン)が放出されると
同時に、サブミクロンから数百ミクロン(0.1〜10
00μm)の大きさの陰極材料微粒子が放出される。こ
の微粒子は、一般にドロップレットと呼ばれる。ドロッ
プレットが発生し、該ドロップレットが基材表面に付着
すると、基材表面の均一性が失われ、基材に対する所望
の表面処理、すなわち、所望の特性改善若しくは機能付
与ができない。
In general, in vacuum arc discharge, metal ions (ions of the cathode material) are emitted from the cathode spot, and at the same time, from submicron to several hundred microns (0.1 to 10 μm).
(Μm) is emitted. These fine particles are generally called droplets. When droplets are generated and adhere to the surface of the substrate, the uniformity of the surface of the substrate is lost, and a desired surface treatment on the substrate, that is, a desired property improvement or functionalization cannot be performed.

【0006】ドロップレットの問題を解決する一手法と
して、磁気フィルタ法(P.J.Martin, R.P.Netterfield
and T.J.Kinder, Thin Solid Firms 193/194 (1990)77)
がある。該磁気フィルタ法は、真空アークプラズマを
湾曲したドロップレット捕集ダクトを通して処理部に輸
送するものである。すなわち、ドロップレット捕集ダク
トは、湾曲しているため、発生したドロップレット(小
液滴)は、溶融・液化物(液状物)であるため、ダクト
内周壁に付着捕獲(捕集)されて、ダクト出口ではドロ
ップレットをほとんど含まないプラズマが得られる。な
お、ダクトに沿って磁石を配してプラズマ流れを磁界に
より屈曲させ、プラズマを効率的にプラズマ加工部に移
動(輸送)させるようになっている。
As one method of solving the droplet problem, a magnetic filter method (PJ Martin, RPNetterfield
and TJKinder, Thin Solid Firms 193/194 (1990) 77)
There is. In the magnetic filter method, a vacuum arc plasma is transported to a processing section through a curved droplet collecting duct. That is, since the droplet collection duct is curved, the generated droplet (small droplet) is a molten / liquefied material (liquid material), and thus is attached and captured (collected) on the inner peripheral wall of the duct. At the outlet of the duct, plasma containing almost no droplets is obtained. In addition, a magnet is arranged along the duct to bend the plasma flow by a magnetic field, so that the plasma is efficiently moved (transported) to the plasma processing unit.

【0007】また、他の手法として、陰極と基材(被処
理物)との間にシールド板(防御体)を設け、ドロップ
レットが基材に付着するのを防止する手法も提案されて
いる(特開平10−25565号)。この手法は、シー
ルド法と呼ばれる。
As another method, a method has been proposed in which a shield plate (protective body) is provided between a cathode and a base material (workpiece) to prevent droplets from adhering to the base material. (JP-A-10-25565). This technique is called a shield method.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記ドロップ
レットの問題を解決するための磁気フィルタ法及び
シールド法は、それぞれ下記次のような問題点が発生す
る。
However, the magnetic filter method and the shield method for solving the problem of the droplet have the following problems, respectively.

【0009】ドロップレットは湾曲ダクト内壁に堆積
するため、それを定期的に取り除く必要があるが、通常
ダクトが細いため、その作業が容易ではない。また、厚
さ0.5mm程度に堆積するとその体積物が湾曲内壁から
剥がれ、プラズマ内へ不純物として混入するおそれがあ
る。さらに、黒鉛若しくは炭素を含む材料を陰極に用い
た場合のようにドロップレットが完全に液化していない
場合、該ドロップレットが湾曲ダクト内壁で弾性衝突し
反射を繰り返してダクト出口から出てきて、被加工物表
面に付着してしまう。
[0009] Since the droplets accumulate on the inner wall of the curved duct, it is necessary to remove them regularly. However, the operation is not easy because the duct is usually thin. Further, when deposited to a thickness of about 0.5 mm, the volume may be peeled off from the curved inner wall and mixed as impurities into the plasma. Further, when the droplet is not completely liquefied as in the case where a material containing graphite or carbon is used for the cathode, the droplet elastically collides with the inner wall of the curved duct, repeatedly reflects, and emerges from the duct outlet, It adheres to the surface of the workpiece.

【0010】シールド板(防御体)は、ドロップレッ
トを遮蔽するばかりではなく、陰極から発生したイオン
も遮蔽してしまう。その結果、被処理基材表面に移動さ
れる(到達する)イオンの数は、シールド板が無い場合
の1/3以下に減少する。また、シールド板面積より、
基材の被処理面が大きい場合には、シールド板で遮蔽で
きない部分が発生して、該部表面にはドロップレットが
付着する。さらに、固体状ドロップレットの場合には、
該ドロップレットがチャンバー(容器)内壁で乱反射す
るため、シールド板によって基材にドロップレット(固
体状の)が付着するのを防止するのは困難である。
[0010] The shield plate (protector) not only shields droplets but also shields ions generated from the cathode. As a result, the number of ions moved (arriving) to the surface of the substrate to be treated is reduced to 1/3 or less of that without the shield plate. Also, from the shield plate area,
When the surface of the base material to be treated is large, a portion that cannot be shielded by the shield plate is generated, and droplets adhere to the surface of the portion. Furthermore, in the case of solid droplets,
Since the droplets are irregularly reflected on the inner wall of the chamber (container), it is difficult to prevent the droplets (in a solid state) from adhering to the substrate by the shield plate.

【0011】本発明は、上記にかんがみて、ドロップレ
ットの捕集(堆積)除去作業が容易で、かつドロップレ
ットのプラズマ加工部への混入を防止できて、基材(被
処理物)に対する所望の表面処理が安定して可能なプラ
ズマ加工法及びプラズマ加工装置を提供することを目的
とする。
In view of the above, the present invention makes it possible to easily collect (deposit) and remove droplets, prevent the droplets from being mixed into a plasma processing portion, and obtain a desired material for a substrate (workpiece). It is an object of the present invention to provide a plasma processing method and a plasma processing apparatus capable of stably performing surface treatment.

【0012】[0012]

【発明の開示】本発明者らは、ドロップレットが混入し
ないプラズマ加工部を得るために、ドロップレットを捕
捉(捕集)するための特別なドロップレット捕集部を設
けるとともに、磁界誘導を利用してプラズマ流れを屈曲
又は拡散させればドロップレットが混入しないプラズマ
加工部をドロップレット捕集空間とは別位置に形成でき
ることを見出して、下記構成のプラズマ加工法に想到し
た。
DISCLOSURE OF THE INVENTION In order to obtain a plasma-processed portion in which droplets are not mixed, the present inventors provide a special droplet collecting portion for capturing (collecting) droplets and utilize magnetic field induction. The inventors have found that a plasma processing portion where droplets are not mixed can be formed at a position different from the droplet collecting space if the plasma flow is bent or diffused, and the inventors have arrived at a plasma processing method having the following configuration.

【0013】必要により反応性ガスを導入した真空雰囲
気下で真空アーク放電を行なってプラズマを発生させ
て、該プラズマをプラズマ加工部に流入させ、該プラズ
マ加工部に配置された被処理物を流入プラズマにより表
面処理加工を行なう方法であって、プラズマ発生部から
のプラズマ流れを磁界誘導によりプラズマ発生部と対面
しない方向に屈曲又は拡散させてプラズマ加工部に流入
させるとともに、プラズマ発生部と対面する位置でプラ
ズマの発生時に陰極から副生する陰極材料微粒子(以下
「ドロップレット」という。)を捕集することを特徴と
する。
If necessary, vacuum arc discharge is performed in a vacuum atmosphere in which a reactive gas is introduced to generate plasma, and the plasma is caused to flow into a plasma processing portion, and an object to be processed arranged in the plasma processing portion is flowed. A method of performing surface treatment processing by using plasma, wherein a plasma flow from a plasma generation unit is bent or diffused in a direction not facing the plasma generation unit by magnetic field induction, flows into the plasma processing unit, and faces the plasma generation unit. Cathode material particles (hereinafter, referred to as “droplets”) by-produced from the cathode when plasma is generated at the position are collected.

【0014】上記構成の本発明は、陰極から放出される
ドロップレットの流れは直進流れであり、且つ、外部磁
界の影響を受けないのに対し、真空アークプラズマ自体
は外部磁界により、容易にその流れ方向(移動方向)が
変えられる作用を利用したものである。すなわち、陰極
と対向する位置にドロップレット捕集部を設け、プラズ
マ流れをその途中で別の角度に屈曲させることにより、
ドロップレット捕集部の形状を捕集後の堆積したドロッ
プレットを回収容易な形態(取り外し等)にできるとと
もに、剥離してプラズマ加工部へ混入するのを防止する
ものである。さらに、このドロップレット及びプラズマ
の磁界に対する特性から、磁界を用いて、ドロップレッ
トの移動方向とは別の方向にプラズマを誘導(conduct)
し、ドロップレットを含まないプラズマ領域にプラズマ
加工部を形成するものである。
In the present invention having the above structure, the flow of the droplet discharged from the cathode is a straight flow and is not affected by an external magnetic field, whereas the vacuum arc plasma itself is easily affected by the external magnetic field. This utilizes the effect of changing the flow direction (moving direction). That is, by providing a droplet collecting portion at a position facing the cathode and bending the plasma flow at another angle in the middle thereof,
The shape of the droplet collecting portion can be made into a form (such as removal) in which the collected droplets can be easily collected after being collected, and can be prevented from being separated and mixed into the plasma processing portion. Furthermore, from the characteristics of the droplet and the plasma with respect to the magnetic field, the magnetic field is used to conduct the plasma in a direction different from the moving direction of the droplet.
Then, a plasma processing portion is formed in a plasma region not including the droplet.

【0015】上記構成において、プラズマ流れの屈曲角
度を、プラズマ発生部のプラズマ放出軸線に対して略2
0〜95°とすることを特徴とする。放出軸線と磁界屈
曲方向が近すぎると、プラズマ加工部に向かうプラズマ
流れにドロップレットが混入するおそれがある。
In the above configuration, the bending angle of the plasma flow is set to about 2 with respect to the plasma emission axis of the plasma generating section.
The angle is set to 0 to 95 °. If the emission axis and the magnetic field bending direction are too close, droplets may be mixed in the plasma flow toward the plasma processing portion.

【0016】上記態様の一つとしては、プラズマ発生部
と対面する位置にドロップレット捕集口を設け、該ドロ
ップレット捕集口に連続する筒状体でドロップレットの
捕集を行なう態様がある。当該態様の場合、固体状ドロ
ップレットの乱反射によるプラズマ流れへの混入が阻止
し易い。
As one of the above-mentioned embodiments, there is an embodiment in which a droplet collecting port is provided at a position facing the plasma generating portion, and the droplet is collected by a cylindrical body connected to the droplet collecting port. . In this case, it is easy to prevent the solid droplets from being mixed into the plasma flow due to irregular reflection.

【0017】上記態様の他の一つとしては、プラズマ流
れがドーナツ状のプラズマ加工部に向かうように磁界に
より拡散屈曲させる態様がある。当該態様の場合、プラ
ズマ加工部の中心部先方にドロップレット捕集部を形成
できて、ドロップレット捕集の構造が簡単となる。
As another one of the above embodiments, there is an embodiment in which a plasma flow is diffused and bent by a magnetic field so as to be directed to a donut-shaped plasma processing portion. In the case of this mode, the droplet collecting portion can be formed ahead of the center of the plasma processing portion, and the structure of the droplet collecting portion is simplified.

【0018】上記各プラズマ加工法において、通常、反
応性ガスとして、N2 、O2 、H2、CH4 、C2
2 、C24 、C26 、CO及びCO2 の群から選択
される1種又は2種以上を使用し、真空雰囲気の圧力を
10〜10-5Paとする。
In each of the above plasma processing methods, N 2 , O 2 , H 2 , CH 4 , C 2 H are usually used as reactive gases.
2 , one or more selected from the group consisting of C 2 H 4 , C 2 H 6 , CO and CO 2 , and the pressure of the vacuum atmosphere is 10 to 10 −5 Pa.

【0019】そして、上記本発明のプラズマ加工法を体
現できるプラズマ加工装置は下記構成のものとなる。
The plasma processing apparatus that can embody the plasma processing method of the present invention has the following configuration.

【0020】該プラズマ加工装置は、真空チャンバー内
に、プラズマ発生部と、プラズマ加工部と、該プラズマ
加工部と干渉しない部位にドロップレット捕集部とを備
え、プラズマ発生部からのプラズマ流れをプラズマ加工
部へ向かうように屈曲又は拡散させる磁界を発生するプ
ラズマ誘導磁界発生器とを備えていることを特徴とする
ものである。
The plasma processing apparatus includes a plasma generating section, a plasma processing section, and a droplet collecting section at a portion not interfering with the plasma processing section in a vacuum chamber, and controls a plasma flow from the plasma generating section. A plasma induction magnetic field generator for generating a magnetic field to bend or diffuse toward the plasma processing section.

【0021】上記プラズマ加工装置の一態様として、プ
ラズマ発生部に対して、プラズマ加工部が直交位置に、
ドロップレット捕集部が対面位置にそれぞれある構成と
することができる。
As one mode of the above-mentioned plasma processing apparatus, the plasma processing section is at a position orthogonal to the plasma generating section.
A configuration may be adopted in which the droplet collecting units are respectively located at the facing positions.

【0022】他の態様として、プラズマ発生部とプラズ
マ加工部とを接続するプラズマガイド部のプラズマ発生
部のプラズマ放出軸線に対する交差角度が20〜80°
であるとともに、ドロップレット捕集部が先端が閉じる
筒状体で形成され、該筒状体はプラズマ発生部と対面す
る位置にドロップレット捕集口を備えている構成とする
ことができる。
In another embodiment, the intersection angle of the plasma guide section connecting the plasma generation section and the plasma processing section with the plasma emission axis of the plasma generation section is 20 to 80 °.
In addition, the droplet collecting portion may be formed of a tubular body whose tip is closed, and the tubular body may have a droplet collecting port at a position facing the plasma generating portion.

【0023】さらに他の態様として、プラズマ加工部が
ドーナツ状に配され、プラズマ加工部にプラズマ流れが
向かうようにプラズマを拡散させるプラズマ誘導磁界発
生器(プラズマ拡散磁界発生器)が配され、ドロップレ
ット捕集部がドーナツ状のプラズマ加工部の内側先方に
配されている構成とすることができる。
In still another embodiment, the plasma processing section is arranged in a donut shape, and a plasma induction magnetic field generator (plasma diffusion magnetic field generator) for diffusing the plasma so that the plasma flows toward the plasma processing section is disposed. The configuration may be such that the let collecting part is disposed inward of the donut-shaped plasma processing part.

【0024】上記態様におけるより具体的態様として、
真空チャンバー内でプラズマ加工部の底部側にプラズマ
拡散磁界発生器が配され、該プラズマ加工部を形成する
真空チャンバー周壁に連続するテーパ筒状体でドロップ
レット捕集部が形成されている構成とすることができ
る。
As a more specific embodiment in the above embodiment,
A plasma diffusion magnetic field generator is arranged on the bottom side of the plasma processing section in the vacuum chamber, and a droplet collection section is formed by a tapered cylindrical body continuous to the peripheral wall of the vacuum chamber forming the plasma processing section. can do.

【0025】同様に他の具体的態様として、ドロップレ
ット捕集部がプラズマ加工部を形成する真空チャンバの
平板状底壁部で兼ねられ、該平板状底壁部の外側下方に
プラズマ拡散磁界発生器が配されている構成とすること
ができる。
Similarly, as another specific mode, the droplet collecting portion is also used as a flat bottom wall of a vacuum chamber forming a plasma processing portion, and a plasma diffusion magnetic field is generated below the outside of the flat bottom wall. A container may be provided.

【0026】さらに、上記各態様において、ドロップレ
ット捕集部に、ドロップレットの運動エネルギーを吸収
するドロップレットエネルギー吸収体が配することによ
り、プラズマ中へのドロップレットの乱反射による混入
をより確実に防止できる。
Further, in each of the above embodiments, the droplet collecting portion is provided with the droplet energy absorber for absorbing the kinetic energy of the droplet, so that the droplet is more reliably prevented from being mixed into the plasma due to irregular reflection. Can be prevented.

【0027】そして、本発明のプラズマ加工方法及びプ
ラズマ加工装置によれば、単一または複数種元素イオ
ン、原子及び分子で構成され、ドロップレットを含まな
い大体積プラズマを容易にかつ安価に発生させることが
可能となる。
According to the plasma processing method and the plasma processing apparatus of the present invention, a large-volume plasma containing single or plural kinds of element ions, atoms and molecules and containing no droplet can be easily and inexpensively generated. It becomes possible.

【0028】また、プラズマを用いて、安価でかつ大面
積にわたる薄膜形成及び表面加工を施すことが可能とな
る。
In addition, it is possible to form a thin film and perform surface processing over a large area at low cost by using plasma.

【0029】[0029]

【発明を実施するための形態】以下、本発明を、実施形
態に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は図示の構
成に限定されるわけではなく、種々の設計変更が可能で
あることは勿論である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments. It should be noted that the present invention is not limited to the configuration shown in the drawings, and it goes without saying that various design changes are possible.

【0030】本発明をプラズマ加工法の一形態である真
空アーク蒸着法に適用する場合に使用するプラズマ加工
装置の概略モデル図を図1に示す。
FIG. 1 is a schematic model diagram of a plasma processing apparatus used when the present invention is applied to a vacuum arc vapor deposition method which is one form of the plasma processing method.

【0031】本実施形態のプラズマ加工法(真空アーク
蒸着法)は、基本的には、必要により反応性ガスを導入
した真空雰囲気下で真空アーク放電を行なってプラズマ
を発生させて、該プラズマをプラズマ加工部に移動さ
せ、該プラズマ加工部に配置された被処理物をプラズマ
により表面処理加工を行なう方法である。
In the plasma processing method (vacuum arc deposition method) of the present embodiment, basically, a plasma is generated by performing a vacuum arc discharge in a vacuum atmosphere into which a reactive gas is introduced if necessary. This is a method in which the workpiece is moved to a plasma processing unit, and a workpiece disposed in the plasma processing unit is subjected to surface processing using plasma.

【0032】該プラズマの構成粒子は、陰極12からの
蒸発物質、若しくは該蒸発物質と導入ガスを起源(ソー
ス)とするプラズマ化した荷電粒子(イオン、電子)ば
かりでなく、プラズマ前状態の分子、原子の中性粒子を
も含む。
The constituent particles of the plasma include not only the evaporating substance from the cathode 12 or the charged particles (ions, electrons) which have been turned into plasma from the evaporating substance and the introduced gas, but also the molecules in the pre-plasma state. , Including neutral particles of atoms.

【0033】真空アーク蒸着法における、蒸着条件は、
電流:1〜600A(望ましくは5〜500A、さらに
望ましくは10〜150A)、電圧:5〜100V(望
ましくは10〜80V、さらに望ましくは10〜50
V)、圧力:10-5〜10Pa(望ましくは10-4〜5
Pa、さらに望ましくは10-2〜1Pa)である。
In the vacuum arc deposition method, the deposition conditions are as follows:
Current: 1 to 600 A (preferably 5 to 500 A, more preferably 10 to 150 A), Voltage: 5 to 100 V (preferably 10 to 80 V, more preferably 10 to 50 V)
V), pressure: 10-5 to 10 Pa (preferably 10-4 to 5)
Pa, more preferably 10 -2 to 1 Pa).

【0034】図1のプラズマ加工装置は、基本的に、真
空チャンバー10内に形成されるアーク発生部E、ドロ
ップレット捕集部D及びプラズマ加工部(プロセス部)
Tを備えた構成である。
The plasma processing apparatus shown in FIG. 1 basically has an arc generating section E, a droplet collecting section D and a plasma processing section (process section) formed in a vacuum chamber 10.
This is a configuration including T.

【0035】真空アーク発生部Eは、陰極(カソード)
12、陰極プロテクタ13、陽極(アノード)14、ト
リガ電極16、アーク安定化磁界発生器(磁石)18を
備えている。
The vacuum arc generator E is provided with a cathode (cathode)
12, a cathode protector 13, an anode (anode) 14, a trigger electrode 16, and an arc stabilizing magnetic field generator (magnet) 18.

【0036】陰極12は、プラズマの主構成物質を供給
するソースであり、その形成材料は、導電性を有する固
体なら特に限定されない。金属単体、合金、無機単体、
無機化合物(金属酸化物・窒化物)等、特に問わず、そ
れらは単独又は2種以上混合して使用することができ
る。
The cathode 12 is a source for supplying a main component of plasma, and the material for forming the cathode 12 is not particularly limited as long as it is a solid having conductivity. Metal simple substance, alloy, inorganic simple substance,
Inorganic compounds (metal oxides / nitrides) and the like can be used singly or as a mixture of two or more, regardless of the particulars.

【0037】金属単体としては、Al、Ti、Zn、C
r、Sb、Ag、Au、Zr、Cu、Fe、Mo、W、
Nb、Ni、Mg、Cd、Sn、V、Co、Y、Hf、
Pd、Rh、Pt、Ta、Hg、Nd、Pb等を、合金
(金属化合物)としては、TiAl、AlSi、NdF
e、無機単体としては、C、Si等を、無機化合物(セ
ラミックス)としては、TiO2 、ZnO、SnO2
ITO(Indium Tin0xide :スズ混入酸化インジウ
ム)、In23 、Cd2 SnO4 、CuO等の酸化
物、TiN、TiAlC、TiC、CrN、TiCN等
の炭・窒化物等を、それぞれ挙げることができる。
As the metal simple substance, Al, Ti, Zn, C
r, Sb, Ag, Au, Zr, Cu, Fe, Mo, W,
Nb, Ni, Mg, Cd, Sn, V, Co, Y, Hf,
Pd, Rh, Pt, Ta, Hg, Nd, Pb, etc. are used as alloys (metal compounds) as TiAl, AlSi, NdF.
e, inorganic simple substances such as C, Si, etc., and inorganic compounds (ceramics) such as TiO 2 , ZnO, SnO 2 ,
Examples include ITO (Indium Tin Oxide: indium oxide mixed with tin), oxides such as In 2 O 3 , Cd 2 SnO 4 , and CuO, and carbon / nitrides such as TiN, TiAlC, TiC, CrN, and TiCN. .

【0038】陰極プロテクタ13は、蒸発させようとす
る陰極表面以外の部分を電気絶縁して覆い、かつ、陰極
12と陽極14との間に発生する真空アークプラズマが
後方に拡散するのを防ぐものである。汎用の耐熱セラミ
ックス等を使用できる。また、陰極12との間に電気絶
縁層(単に空隙、あるいはセラミックやふっ素樹脂をは
さむ)を形成する場合、汎用のステンレス鋼、アルミニ
ウム合金等を使用できる。
The cathode protector 13 covers the portion other than the surface of the cathode to be evaporated by electrically insulating and prevents the vacuum arc plasma generated between the cathode 12 and the anode 14 from being diffused backward. It is. General-purpose heat-resistant ceramics can be used. In the case where an electric insulating layer (simply a gap or a ceramic or a fluororesin is interposed) is formed between the cathode 12 and the cathode 12, a general-purpose stainless steel, aluminum alloy, or the like can be used.

【0039】また、上記において陰極プロテクタ13を
ステンレス鋼の代わりに鉄やフェライト等の耐熱性の強
磁性材料で形成すれば、真空チャンバ10の外側に配さ
れたプラズマ安定化磁界発生器18から印加される磁界
により陰極プロテクタ13自体も磁化されてプラズマに
直接的に作用して発生プラズマ分布の調整が容易とな
る。
If the cathode protector 13 is made of a heat-resistant ferromagnetic material such as iron or ferrite instead of stainless steel in the above case, the voltage applied from the plasma stabilizing magnetic field generator 18 disposed outside the vacuum chamber 10 can be increased. The generated magnetic field also magnetizes the cathode protector 13 itself and acts directly on the plasma, thereby facilitating the adjustment of the generated plasma distribution.

【0040】陽極14の形成材料は、プラズマの温度で
も蒸発せず、非磁性の材料で導電性を有する固体なら特
に限定されない。金属単体、合金、無機単体、無機化合
物(金属酸化物・窒化物)等、特に問わず、それらは単
独又は2種以上混合して使用することができる。前述の
陰極に使用した材料を適宜選択して使用することができ
る。本実施形態の装置では、ステンレス鋼もしくは銅を
使用し、水冷構造とすることが望ましい。
The material for forming the anode 14 is not particularly limited as long as it is a non-magnetic material which does not evaporate even at the temperature of the plasma and has conductivity. Regardless of a metal simple substance, an alloy, an inorganic simple substance, an inorganic compound (metal oxide / nitride), etc., they can be used alone or in combination of two or more. The material used for the above-described cathode can be appropriately selected and used. In the apparatus of the present embodiment, it is desirable to use stainless steel or copper and have a water-cooled structure.

【0041】また陽極14の形状はアークプラズマの進
行をさえぎるものでなければ、特に限定されない。図例
では、筒状体(円筒、角筒を問わない)であるが、コイ
ル状、U字形、さらには、上下・左右に一対平行に配し
て形成してもよい。
The shape of the anode 14 is not particularly limited as long as it does not block the progress of the arc plasma. In the illustrated example, it is a cylindrical body (irrespective of a cylinder or a rectangular tube), but it may be formed in a coil shape, a U-shape, or a pair of upper, lower, left and right parallel.

【0042】トリガ電極16は、陰極12と陽極14と
の間に真空アークを誘起するための電極である。すなわ
ち、該トリガ電極16を一時的に陰極12の表面に接触
させ、その後引き離すことで、該陰極12と該トリガ電
極16との間で、電気スパークを発生させる。該電気ス
パークが発生すると、陰極12と陽極14との間の電気
抵抗が減少し、陰極−陽極間に真空アークが発生する。
トリガ電極16の形成材料は、高融点金属である汎用の
Mo(融点:2610℃)やW(融点:3387℃)等を使用す
る。
The trigger electrode 16 is an electrode for inducing a vacuum arc between the cathode 12 and the anode 14. That is, by temporarily bringing the trigger electrode 16 into contact with the surface of the cathode 12 and then separating the trigger electrode 16, an electric spark is generated between the cathode 12 and the trigger electrode 16. When the electric spark is generated, the electric resistance between the cathode 12 and the anode 14 decreases, and a vacuum arc is generated between the cathode and the anode.
As a material for forming the trigger electrode 16, general-purpose Mo (melting point: 2610 ° C.) or W (melting point: 3387 ° C.), which is a high melting point metal, is used.

【0043】アーク安定化磁界発生器18は、プラズマ
発生部Eにおける真空チャンバー10の外周に配され、
真空アークの陰極点、及び、アーク放電により発生した
プラズマを安定化させるためである。すなわち、磁界発
生器18は、プラズマに対する印加磁界がカスプ形(互
いに逆方向)となる一対のリング状に配された磁石18
a、18bで構成されている。このカスプ形の印加磁界
により、アーク陰極点の運動を制御するとともに、プラ
ズマを放射方向に拡散(すなわち扁平円柱状)させるこ
とで陰極と陽極間の電流路を確保し、アーク放電を安定
化させる。なお、この磁界発生器18としては、通常、
電磁石(電磁コイル)又は永久磁石を使用する。
The arc stabilizing magnetic field generator 18 is arranged on the outer periphery of the vacuum chamber 10 in the plasma generating section E,
This is for stabilizing the cathode point of the vacuum arc and the plasma generated by the arc discharge. That is, the magnetic field generator 18 is composed of a pair of ring-shaped magnets 18 in which the applied magnetic field to the plasma is cusp-shaped (in opposite directions).
a and 18b. The cusp-shaped applied magnetic field controls the movement of the arc cathode spot, and diffuses the plasma in the radiation direction (ie, flat columnar shape) to secure a current path between the cathode and anode and stabilize the arc discharge. . In addition, as this magnetic field generator 18, usually,
Use electromagnets (electromagnetic coils) or permanent magnets.

【0044】そして、陰極12、陽極14及びトリガ電
極16は、それぞれ、絶縁導入端子20を介して外部の
アーク電源22と接続する。アーク電源22には、汎用
の直流、パルス若しくは直流重畳パルス電源を使用す
る。なお、トリガ電極16とアーク電源22との間に
は、通常、トリガ電極16に流れる電流を制限(調整)
するための制限用抵抗(1〜10Ω)23を挿入する。
The cathode 12, the anode 14, and the trigger electrode 16 are connected to an external arc power supply 22 via the insulating introduction terminal 20, respectively. As the arc power supply 22, a general-purpose DC, pulse or DC superimposed pulse power supply is used. Note that, between the trigger electrode 16 and the arc power supply 22, the current flowing through the trigger electrode 16 is usually limited (adjusted).
To insert a limiting resistor (1 to 10Ω) 23 for performing the operation.

【0045】プラズマ加工部(処理部)Tには、ガス導
入を行なわない場合もあるが、ガス導入システム24及
びガス排出システム26が接続されている。これらのシ
ステムとしては汎用のものを使用できる。ガス導入流量
が一定に制御され、かつ排気流量を制御することにより
容器全体の真空度(圧力)が一定に制御されるものとす
る。
In some cases, gas is not introduced into the plasma processing section (processing section) T, but a gas introduction system 24 and a gas exhaust system 26 are connected. As these systems, general-purpose systems can be used. It is assumed that the gas introduction flow rate is controlled to be constant, and the degree of vacuum (pressure) of the entire container is controlled to be constant by controlling the exhaust flow rate.

【0046】導入ガスは、プラズマ発生部Eから導入し
てもよく、プラズマ加工部(処理部)Tとプラズマ発生
部Eの両方から導入してもよい。プロセス部とプラズマ
発生部の両方から導入する場合、ガスの種類が異なって
もよい。
The introduced gas may be introduced from the plasma generating section E, or may be introduced from both the plasma processing section (processing section) T and the plasma generating section E. When the gas is introduced from both the process section and the plasma generation section, the type of gas may be different.

【0047】そして、導入ガスとしては、反応性ガスを
使用しない場合に、圧力を一定に保持するための希ガス
(通常、Ar、He)のほかに、反応性ガスを適宜使用
する。該反応性ガスが、陰極材料等をソースとする蒸発
粒子(プラズマ粒子)と反応して、複化合物膜を容易に
形成できる。上記反応性ガスとしては、窒素(N2 )、
酸素(O2 )、水素(H2 )、炭化水素ガス(C2
2 、C24 、CH4 、C26 等)、酸化炭素ガス
(CO、CO2 )の群から適宜、1種又は複数種を選択
して使用できる。ここで、反応性を制御するために前記
希ガスを混合して反応性ガスの濃度を調整してもよい。
When a reactive gas is not used, a reactive gas is used as appropriate, in addition to a rare gas (usually, Ar or He) for maintaining a constant pressure. The reactive gas reacts with evaporated particles (plasma particles) using a cathode material or the like as a source, so that a double compound film can be easily formed. Examples of the reactive gas include nitrogen (N 2 ),
Oxygen (O 2 ), hydrogen (H 2 ), hydrocarbon gas (C 2 H
2 , C 2 H 4 , CH 4 , C 2 H 6 ) and carbon oxide gas (CO, CO 2 ). Here, in order to control the reactivity, the rare gas may be mixed to adjust the concentration of the reactive gas.

【0048】本実施形態のプラズマ加工法においては、
上記基本構成において、放出直後のプラズマPをプラズ
マ加工部Tへ磁界誘導により屈曲させて移動させるとと
もに、プラズマの発生時に陰極12から副生する陰極材
料微粒子(ドロップレット)dを、プラズマ加工部Tと
干渉しないドロップレット捕集部Dに移動させて捕集堆
積させる方法である。
In the plasma processing method of the present embodiment,
In the above-described basic configuration, the plasma P immediately after the discharge is bent and moved by the magnetic field induction to the plasma processing part T, and the cathode material fine particles (droplets) d by-produced from the cathode 12 when the plasma is generated are removed. This is a method in which the liquid is moved to a droplet collecting section D which does not interfere with the above and is collected and deposited.

【0049】陰極から発生するドロップレットは、電気
的に中性であり、通常、磁界の影響を受けないため、直
進移動するという特性を有する。そこで、陰極12と対
向した位置にドロップレットを捕獲、捕集する空間、す
なわち、ドロップレット捕集部Dを設ける。基本的には
単にプラズマ発生部Eを形成する真空チャンバー10を
プラズマ放出軸方向に伸ばせばよい。通常の場合、直進
移動(直進飛行)してきたドロップレットは、ドロップ
レット捕集部Dの内壁に堆積する。ここでドロップレッ
ト捕集部Dを取り外せる構造としておけば、その清掃が
容易となる。
The droplet generated from the cathode is electrically neutral, and is generally not affected by a magnetic field, and thus has a characteristic of moving straight. Therefore, a space for capturing and collecting droplets, that is, a droplet collecting portion D is provided at a position facing the cathode 12. Basically, it suffices to simply extend the vacuum chamber 10 for forming the plasma generating section E in the direction of the plasma emission axis. In a normal case, droplets that have moved straight (straight flight) accumulate on the inner wall of the droplet collecting unit D. Here, if the droplet collecting portion D is configured to be detachable, the cleaning becomes easy.

【0050】そして、プラズマをプラズマ加工部Tへ屈
曲移動させる誘導磁界を発生させるためのプラズマ誘導
磁界発生器(プラズマ屈曲磁界発生器)28を備えたプ
ラズマガイド部Gを設ける。
Then, a plasma guide section G provided with a plasma induction magnetic field generator (plasma bending magnetic field generator) 28 for generating an induction magnetic field for bending and moving the plasma to the plasma processing section T is provided.

【0051】プラズマガイド部Gは、プラズマ発生部E
及びドロップレット捕集部Dとプロセス部Tを接続する
部分であり、外部から誘導磁界を印加することにより、
プラズマ発生部Eからのプラズマ流れPを略直角(85
〜95°)に屈曲移動させてプラズマ加工部Tに誘導
(ガイド)するものである。ドロップレットの流れはこ
の磁界による影響(作用)を受けず直進流れとなる。プ
ラズマガイド部Gを通過してプラズマ加工部Tに導かれ
たプラズマには、該ドロップレットが含まれない。
The plasma guide section G includes a plasma generating section E
And a part connecting the droplet collecting part D and the processing part T, and by applying an induction magnetic field from the outside,
The plasma flow P from the plasma generation unit E is substantially perpendicular (85
(9595 °) to guide (guide) to the plasma processing portion T. The flow of the droplet becomes a straight flow without being affected (action) by the magnetic field. The droplets are not included in the plasma guided to the plasma processing unit T through the plasma guide unit G.

【0052】上記プラズマ屈曲磁界発生器28は、通
常、前記アーク安定化磁界発生器18におけるプラズマ
進行側(前方側)の磁石18bの磁界(磁場)に対して
直角方向で且つ順方向(同方向)のミラー形の印加磁界
対を発生させるものとする。ミラー形の印加磁界は、プ
ラズマをビーム状に絞り込み、且つ、順方向側へプラズ
マを誘導する作用を有する。この作用により、プラズマ
Pはプラズマガイド部Gさらにはプラズマ加工部Tへ磁
界誘導される。なお、プラズマ屈曲磁界発生器28とア
ーク安定化磁界発生器18の前方側磁石18bの磁界方
向は、プラズマ流れと並流方向でなく、図2・図3の如
く向流方向でもよい。
The above-mentioned plasma bending magnetic field generator 28 is usually in a direction perpendicular to the magnetic field (magnetic field) of the magnet 18b on the plasma advancing side (front side) of the arc stabilizing magnetic field generator 18 and in the forward direction (the same direction). ) Generates a pair of mirror-shaped applied magnetic fields. The mirror-shaped applied magnetic field has a function of narrowing the plasma into a beam and inducing the plasma in the forward direction. By this action, the magnetic field of the plasma P is guided to the plasma guide portion G and further to the plasma processing portion T. The direction of the magnetic field of the front magnet 18b of the plasma bending magnetic field generator 28 and the arc stabilizing magnetic field generator 18 is not limited to the co-current direction with the plasma flow, but may be the counter current direction as shown in FIGS.

【0053】基板(被処理部)30には、生成膜の膜質
を制御するため、直流バイアス、RFバイアス又はパル
スバイアスを印加してもよい。特に、高電圧パルスバイ
アスを印加することで、プラズマ中のイオンが基板30
表層に注入され、基板表面の高度な改質処理が可能とな
る。アーク電源22としてパルス電源を用いた場合、電
源とバイアスとのタイミングが制御されることが望まし
い。
A DC bias, an RF bias or a pulse bias may be applied to the substrate (processed portion) 30 in order to control the film quality of the generated film. In particular, by applying a high-voltage pulse bias, ions in the plasma
It is injected into the surface layer and enables a high-level modification treatment of the substrate surface. When a pulse power supply is used as the arc power supply 22, it is desirable to control the timing between the power supply and the bias.

【0054】なお、陰極12は真空チャンバー10内に
複数個配置してもよい。陰極12を複数化することで、
生産性が向上する。
Incidentally, a plurality of cathodes 12 may be arranged in the vacuum chamber 10. By using a plurality of cathodes 12,
Productivity is improved.

【0055】図2・3は、図1のプラズマ加工装置の一
部(特に、ドロップレット捕集部D1又はD2)を改良
した装置の一部省略要部モデル図である。図1と同一部
分については、同一図符号を付してそれらの説明の全部
又は一部を省略する。以下、図4・5についても同様で
ある。
FIGS. 2 and 3 are model diagrams in which a part of the plasma processing apparatus shown in FIG. 1 (particularly, a droplet collecting section D1 or D2) is partially omitted. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and all or part of their description will be omitted. Hereinafter, the same applies to FIGS.

【0056】図2に示すものは、ドロップレットの捕集
効率及びプラズマのプラズマ加工部Tへの移動効率(輸
送効率)を向上させたものである。図1の装置との主な
違いは下記の点にある。プラズマ流れPの磁界による屈
曲方向が、プラズマ発生部Eのプラズマ放出軸線に対し
て20〜80°(望ましくは30〜60°)であるとと
もに、ドロップレット捕集部D1が先端が閉じる筒状体
32で形成され、該筒状体32は、ドロップレットの放
出方向と対面する開口部32aを備え、且つ、プラズマ
の磁界屈曲方向と干渉しない方向に湾曲する形態であ
る。
FIG. 2 shows an improvement in the droplet collection efficiency and the transfer efficiency (transport efficiency) of the plasma to the plasma processing section T. The main differences from the apparatus of FIG. 1 are as follows. The direction in which the plasma flow P is bent by the magnetic field is 20 to 80 ° (preferably 30 to 60 °) with respect to the plasma emission axis of the plasma generating unit E, and the tip end of the droplet collecting unit D1 is closed. The cylindrical body 32 is provided with an opening 32a facing the discharge direction of the droplet, and is curved in a direction that does not interfere with the magnetic field bending direction of the plasma.

【0057】すなわち、プラズマ発生部Eのプラズマ放
出軸線に対するプラズマガイド部Gとの傾斜角度(交差
角度)は、図1に示す如く90°前後又は90°より大
きくてもよいが、90°よりを小さくする、すなわち8
0°以下とすることにより、プラズマガイド部Gにおけ
る印加磁界の強さを低減(すなわち、電磁コイルの場
合、消費電力が低減でき)できる。プラズマの屈曲角度
が小さいため、プラズマを屈曲させるための絞り込みエ
ネルギーが小さくてすむためである。
That is, the angle of inclination (intersection angle) of the plasma generating section E with respect to the plasma emission axis with respect to the plasma emission axis may be about 90 ° or larger than 90 ° as shown in FIG. Smaller, ie 8
By setting the angle to 0 ° or less, the intensity of the applied magnetic field in the plasma guide portion G can be reduced (that is, in the case of an electromagnetic coil, power consumption can be reduced). This is because, since the bending angle of the plasma is small, the narrowing energy for bending the plasma is small.

【0058】また、図1に示す如く、90°前後又は9
0°より大きな角度で屈曲させてプラズマを移動させる
場合に比して、ドロップレット捕集部D1へのプラズマ
の逃げ(損失)が低減される観点から、プラズマ加工部
Tへのプラズマ移動効率(輸送効率)が増大する。な
お、屈曲角度が小さ過ぎる(20°未満)と、プラズマ
ガイド部Gへのドロップレットの混入量が増大し、ドロ
ップレット除去の効率が低下する。
Also, as shown in FIG.
From the viewpoint that the escape (loss) of the plasma to the droplet collecting portion D1 is reduced as compared with the case where the plasma is moved by bending at an angle greater than 0 °, the plasma transfer efficiency to the plasma processing portion T ( Transport efficiency) is increased. If the bending angle is too small (less than 20 °), the amount of droplets mixed into the plasma guide portion G increases, and the efficiency of droplet removal decreases.

【0059】さらに、図例の如く、ドロップレット捕集
部D1を形成する真空チャンバーを湾曲筒状体32で形
成することにより、図1に示す上記構成に比して、固体
状ドロップレットのプラズマへの混入を低減できる。
Further, as shown in the example, by forming the vacuum chamber for forming the droplet collecting portion D1 with the curved cylindrical body 32, the plasma of the solid droplet can be reduced as compared with the above configuration shown in FIG. Can be reduced.

【0060】溶融した液状ドロップレットが筒状体32
の内壁に付着するのは図1の場合と同様であるが、固体
状のドロップレットは、筒状体(捕集部)32の内周壁
で乱反射を繰り返し、捕集部の奥へと進み、やがて、運
動エネルギーを失って、筒状体32の末端で停止する。
したがって、固体状ドロップレットを発生する黒鉛陰極
の場合などにこの構成が有効である。
The molten liquid droplets are transferred to the cylindrical body 32.
1 is attached to the inner wall of the cylindrical body (collector), the solid droplet repeatedly reflects irregularly on the inner peripheral wall of the cylindrical body (collector) 32, and proceeds deep into the collector. Eventually, it loses kinetic energy and stops at the end of the tubular body 32.
Therefore, this configuration is effective in the case of a graphite cathode that generates solid droplets.

【0061】特に、筒状体32を、連続的に半径を縮径
させた(例えば、ホーン状、角状)又は段階的(階段
状)に半径が縮まる構造とした場合は、固体状ドロップ
レットの繰り返し反射によるプラズマ流れ方向への移動
が発生し難くなる。したがって、筒状体32をこれらの
構造とした場合、プラズマ流れへの混入がより確実に阻
止できる。
In particular, when the cylindrical body 32 has a structure in which the radius is continuously reduced (for example, a horn shape or a square shape) or the radius is reduced stepwise (stepwise), a solid droplet is used. Movement in the direction of plasma flow due to repeated reflection of light is less likely to occur. Therefore, when the cylindrical body 32 has such a structure, it can be more reliably prevented from being mixed into the plasma flow.

【0062】なお、筒状体32の向きは、平面で左右方
向に向いていてもよいが、下方に湾曲させることが、重
力の沈降作用を利用できてより望ましい。
The cylindrical body 32 may be oriented in the horizontal direction on a plane, but it is more desirable that the cylindrical body 32 be bent downward because the sedimentation action of gravity can be used.

【0063】さらに、図2では、ドロップレット補集部
の接続部である筒状体32の元部外周に、プラズマ流れ
のプラズマガイド部Gへの速度を増大させるための磁界
を印加するプラズマ屈曲補助磁界発生器(磁石)34が
配されている。この補助磁界発生器34は、プラズマ屈
曲磁界発生器28が発生する磁界(磁場)に対して逆方
向の磁界を印加させて、その間でカスプ形の磁界対を形
成する。このカスプ磁界対の作用により、プラズマは屈
曲流れの方向に拡散してプラズマ密度の増大に寄与す
る。すなわち、プラズマ移動(輸送)効率をより向上さ
せることができる。
Further, in FIG. 2, plasma bending is performed by applying a magnetic field for increasing the speed of the plasma flow to the plasma guide portion G around the outer periphery of the base portion of the cylindrical body 32 which is the connection portion of the droplet collection portion. An auxiliary magnetic field generator (magnet) 34 is provided. The auxiliary magnetic field generator 34 applies a magnetic field in the opposite direction to the magnetic field (magnetic field) generated by the plasma bending magnetic field generator 28, and forms a cusp-shaped magnetic field pair therebetween. By the action of the cusp magnetic field pair, the plasma is diffused in the direction of the bent flow and contributes to an increase in the plasma density. That is, the plasma transfer (transport) efficiency can be further improved.

【0064】図3に示すものは、ドロップレット捕集部
D2を略正方形の筒状体(箱状体)33で形成し、該チ
ャンバー33の入口(ドロップレット捕集口)33a
に、ドロップレットを前記筒状体に屈曲させる反射板3
9を配し、さらには、箱状体33のドロップレット進行
方向の対向面側及び底部側にドロップレットの運動エネ
ルギーを吸収するドロップレットエネルギー吸収体(以
下「ドロップレット吸収体」)40を配したものであ
る。反射板39によりプラズマ発生部Eから直進してく
る固体状ドロップレットdをドロップレット捕集部D2
へ確実に誘導できる。また、ドロップレット吸収体40
によりドロップレットの跳ね返り(乱反射)によるプラ
ズマ中へのドロップレットdの混入も防止できる。な
お、エネルギー吸収体(緩衝体)40としては、耐熱性
があってドロップレットの捕獲できるものが望ましく、
セラミック・石英・カーボンウール、カーボンファイ
バ、カーボンマイクロコイル、スポンジ状カーボン、多
孔質カーボン・セラミック等を挙げることができる。
In FIG. 3, the droplet collecting portion D2 is formed of a substantially square cylindrical body (box-like body) 33, and the inlet (droplet collecting port) 33a of the chamber 33 is formed.
And a reflecting plate 3 for bending the droplet into the cylindrical body.
9 and a droplet energy absorber (hereinafter, referred to as a “droplet absorber”) 40 for absorbing the kinetic energy of the droplet is provided on the opposite surface side and the bottom side of the box-shaped body 33 in the droplet advancing direction. It was done. The solid-state droplet d coming straight from the plasma generation unit E by the reflection plate 39 is collected by the droplet collection unit D2.
Can be reliably guided to In addition, the droplet absorber 40
Accordingly, it is possible to prevent the droplet d from being mixed into the plasma due to the rebound of the droplet (diffuse reflection). It is desirable that the energy absorber (buffer) 40 has heat resistance and can capture droplets.
Ceramic / quartz / carbon wool, carbon fiber, carbon microcoil, sponge-like carbon, porous carbon / ceramic and the like can be mentioned.

【0065】上記ドロップレット吸収体40は、図例の
如くドロップレット進行対向面側及び/又は底部側に層
状に配するだけでもよいが、筒状体(箱状体)32、3
3の周壁全体に層状に形成したり、ドロップレット吸収
部D、D1の全空間に形成してもよい。なお、層状に形
成する場合は、通常、2〜10mmとする。
The droplet absorber 40 may be merely arranged in layers on the side of the droplet advancing surface and / or on the bottom side as shown in the figure, but the tubular bodies (box-like bodies) 32, 3
3 may be formed in a layer on the entire peripheral wall, or may be formed in the entire space of the droplet absorbing portions D and D1. In the case of forming a layer, the thickness is usually 2 to 10 mm.

【0066】本発明のさらに別の態様であるプラズマ加
工装置のモデル図を図4・5・6に示す。
FIGS. 4, 5, and 6 show model diagrams of a plasma processing apparatus according to still another embodiment of the present invention.

【0067】これらのプラズマ加工法は、上記図1・2
・3と基本的に異なる点は、プラズマ流れがドーナツ状
のプラズマ加工部T1に向かうように誘導磁界により拡
散させることにある。そして、ドロップレット捕集部D
2(D3)は、図1・2・3に示す場合と同様、プラズ
マ発生部Eに対面する位置、すなわちドーナツ状のプラ
ズマ加工部T1の内側先方に設ける。前述の如く、プラ
ズマ発生部及びドロップレット捕集部を水平方向に並列
させてもよいが、図例の如く、プラズマ加工部T1とと
もに、垂直方向に配することが、ドロップレット回収に
際して重力を利用できるため望ましい。
These plasma processing methods are described in FIGS.
Basically, the point different from 3 is that the plasma flow is diffused by the induced magnetic field so as to be directed to the donut-shaped plasma processing portion T1. And the droplet collecting unit D
2 (D3) is provided at a position facing the plasma generating portion E, that is, at a position inside the donut-shaped plasma processing portion T1 similarly to the case shown in FIGS. As described above, the plasma generation unit and the droplet collection unit may be arranged in parallel in the horizontal direction. However, as shown in the figure, the arrangement in the vertical direction together with the plasma processing unit T1 makes use of gravity when collecting droplets. It is desirable because it can.

【0068】プラズマ発生部E1は図1の装置と同様で
ある。プラズマ発生部E1とプラズマ加工部T1とがプ
ラズマガイド部を経ずに直結されている点と、プラズマ
加工部T1にドロップレット捕集部D1、D2が直接的
に接続されている点が異なる。
The plasma generating section E1 is the same as the apparatus shown in FIG. The difference is that the plasma generation section E1 and the plasma processing section T1 are directly connected without passing through the plasma guide section, and that the droplet collection sections D1 and D2 are directly connected to the plasma processing section T1.

【0069】プラズマ発生部E1で発生したアークプラ
ズマは、プラズマ発生部E1における安定化用磁界発生
器18による磁界に対して、プラズマ加工部及びドロッ
プレット捕集部D3の境界部に配置したプラズマ拡散磁
界発生器36による磁界が逆方向となるカスプ磁界対を
形成することにより拡散されプラズマ流れが扁平円柱状
に広がる。すなわち、円筒状のプラズマ加工部T1にプ
ラズマ流れが向かって流入する結果となる。このとき、
ドロップレット流れは直進(下方)流れであるため、該
円筒状のプラズマ加工部T1の内側にドロップレットが
飛行し、存在しているが、外周領域には無ドロップレッ
トプラズマ領域、プラズマ加工部T1が形成できる。該
プラズマの外周位置に基板(被処理基材)30を配置す
れば、ドロップレットの影響の無い加工が可能となる。
The arc plasma generated in the plasma generating section E1 is subjected to a plasma diffusion arranged at the boundary between the plasma processing section and the droplet collecting section D3 with respect to the magnetic field generated by the stabilizing magnetic field generator 18 in the plasma generating section E1. By forming a cusp magnetic field pair in which the magnetic field generated by the magnetic field generator 36 is in the opposite direction, the magnetic field is diffused and the plasma flow spreads in a flat cylindrical shape. That is, the result is that the plasma flow flows toward the cylindrical plasma processing portion T1. At this time,
Since the droplet flow is a straight (downward) flow, the droplet flies inside the cylindrical plasma processing portion T1 and exists, but the droplet-free plasma region and the plasma processing portion T1 exist in the outer peripheral region. Can be formed. If the substrate (substrate to be processed) 30 is arranged at the outer peripheral position of the plasma, it is possible to perform processing without being affected by droplets.

【0070】また、プラズマ加工部T1の真空チャンバ
ー10A(10B)をアーク電源22の陽極側を接続し
て、陽極14と同電位にすれば、より扁平円柱状(円盤
状)にプラズマが広がり、プラズマ密度が増大して、プ
ラズマ加工(表面処理)プロセスが効率的となる。
When the vacuum chamber 10A (10B) of the plasma processing section T1 is connected to the anode side of the arc power supply 22 and is set to the same potential as the anode 14, the plasma spreads in a flat columnar shape (disk shape). As the plasma density increases, the plasma processing (surface treatment) process becomes more efficient.

【0071】なお、プラズマ拡散磁界発生器36は、図
5に示す如く真空チャンバーの外部に設けてもよい。ま
た、本実施形態では、図例の如く、プラズマの広がりを
制御するためのプラズマ拡散補助磁界発生器38を備え
ることもできる。この補助磁界発生器38はプラズマ安
定化磁界発生器18の磁界に対して同方向のミラー形の
印加磁界対を形成し、プラズマ拡散磁界発生器36の磁
界に対して逆方向のカスプ形の印加磁界対を形成する。
このため、補助磁界発生器38の磁速密度を増大させる
ことにより、カスプ磁界対のプラズマ拡散力を調整でき
る。
The plasma diffusion magnetic field generator 36 may be provided outside the vacuum chamber as shown in FIG. Further, in this embodiment, as shown in the figure, a plasma diffusion auxiliary magnetic field generator 38 for controlling the spread of plasma can be provided. The auxiliary magnetic field generator 38 forms a mirror-shaped applied magnetic field pair in the same direction with respect to the magnetic field of the plasma stabilizing magnetic field generator 18, and applies a cusp-shaped applied field in the opposite direction to the magnetic field of the plasma diffusion magnetic field generator 36. Form a magnetic field pair.
Therefore, by increasing the magnetic velocity density of the auxiliary magnetic field generator 38, the plasma diffusion force of the cusp magnetic field pair can be adjusted.

【0072】図3におけるドロップレット捕集部D2で
は、プラズマ加工部を形成する真空チャンバー周壁に連
続する下方へ縮径して閉じるテーパ筒状体(円錐、多角
錐等)で形成したものである。当該形状により、固体状
ドロップレットがプラズマ加工部T1へ乱反射するのを
低減することができる。このときのテーパ角度はチャン
バー軸線(垂直軸)に対して、60°以下、望ましくは
45°以下とする。略軸線方向に直進してきたドロップ
レットの上方への反射(跳ね返り)が上方へ向き易いた
めである。すなわち、60°で反射角は30°上方に向
かい、45°では水平方向となる。テーパ角度の加減は
特に限定されないが、装置のコンパクト化及びドロップ
レットの回収容量の見地から、略30°とする。
The droplet collecting portion D2 in FIG. 3 is formed of a tapered cylindrical body (a cone, a polygonal pyramid, or the like) that is continuously reduced in diameter and closed continuously to the peripheral wall of the vacuum chamber forming the plasma processing portion. . Due to the shape, irregular reflection of the solid droplet to the plasma processing portion T1 can be reduced. The taper angle at this time is 60 ° or less, preferably 45 ° or less with respect to the chamber axis (vertical axis). This is because the upward reflection (bounce) of the droplet that has proceeded straight in the substantially axial direction is likely to be directed upward. That is, at 60 °, the reflection angle is upward by 30 °, and at 45 °, it is horizontal. The degree of taper angle is not particularly limited, but is set to about 30 ° from the viewpoint of compactness of the apparatus and the capacity of collecting droplets.

【0073】図5は、図4の装置の簡易型で、ドロップ
レット捕集部D3がプラズマ加工部T1を形成する真空
チャンバ10Bの平板状底壁部10bで兼ねられ、該平
板状底壁部10の外側下方にプラズマ拡散(偏向)用磁
界発生器36を配したものである。 陰極12から発生
するドロップレットが液状のみで、ドロップレットが真
空チャンバー内壁で反射しない場合、このようにドロッ
プレット捕集部がプラズマ加工部T1を形成する真空チ
ャンバー10Bの内壁の一部で代替できるような形状が
利用できる。この構成の場合、プラズマを円柱状に形成
するための磁界発生器36を、容器外部に配置すること
が容易となり、装置がより簡単になる。
FIG. 5 shows a simplified type of the apparatus shown in FIG. 4, in which the droplet collecting section D3 is also used as the flat bottom wall section 10b of the vacuum chamber 10B forming the plasma processing section T1. 10, a magnetic field generator 36 for plasma diffusion (deflection) is arranged below the outside of the apparatus. When the droplets generated from the cathode 12 are only liquid and the droplets are not reflected on the inner wall of the vacuum chamber, the droplet collecting portion can be replaced by a part of the inner wall of the vacuum chamber 10B forming the plasma processing portion T1. Such shapes are available. In the case of this configuration, it is easy to arrange the magnetic field generator 36 for forming the plasma into a column shape outside the container, and the apparatus becomes simpler.

【0074】なお、この平板状底壁部10に、前述のド
ロップレット吸収体を配することが望ましい。ドロップ
レット捕集部D4とプラズマ加工部T1との位置が近く
ドロップレットが乱反射によりプラズマに混入し易いた
めである。
It is desirable to dispose the above-described droplet absorber on the flat bottom wall 10. This is because the positions of the droplet collecting unit D4 and the plasma processing unit T1 are close to each other, and the droplets are likely to be mixed into the plasma due to diffuse reflection.

【0075】[0075]

【実験例】従来の市販真空アーク蒸着装置及び図3に示
すプラズマ加工装置(真空アーク蒸着装置)を用いて、
陰極:Ti、陽極:として、導入ガスをO2 として、
汎用のガラス基板上にTiO2 膜を形成した。
[Experimental example] Using a conventional commercially available vacuum arc deposition apparatus and a plasma processing apparatus (vacuum arc deposition apparatus) shown in FIG.
Cathode: Ti, anode: copper , introduction gas as O 2 ,
A TiO 2 film was formed on a general-purpose glass substrate.

【0076】なお、チャンバー内圧力:0.5Pa、ア
ーク電流:50A、製膜時間:5min とした。
The chamber pressure was 0.5 Pa, the arc current was 50 A, and the film formation time was 5 min.

【0077】上記でそれぞれ得たTiO2 膜について、
光学顕微鏡写真で観察したところ、従来のものにはドロ
ップレットが観察されたのに対し、本実施例の場合はド
ロップレットがほとんど観察されなかった。
With respect to the TiO 2 films obtained above,
When observed with an optical microscope photograph, droplets were observed in the conventional one, whereas almost no droplets were observed in the present embodiment.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明をプラズマ加工法に使用するプラズマ加
工装置(真空アーク蒸着装置)の一形態を示す概略モデ
ル図
FIG. 1 is a schematic model diagram showing one embodiment of a plasma processing apparatus (vacuum arc deposition apparatus) using the present invention for a plasma processing method.

【図2】図1においてプラズマ加工装置の一部(ドロッ
プレット捕集部等)を改良した装置の一部省略要部モデ
ル図
FIG. 2 is a partially omitted main part model diagram of an apparatus obtained by improving a part of the plasma processing apparatus (a droplet collecting section and the like) in FIG.

【図3】同じく他の改良した装置の一部省略要部モデル
FIG. 3 is a partially omitted main part model diagram of another improved device.

【図4】本発明をプラズマ加工法に使用するプラズマ加
工装置の他の形態を示す概略モデル図
FIG. 4 is a schematic model diagram showing another embodiment of a plasma processing apparatus using the present invention for a plasma processing method.

【図5】図4における簡易型を示す概略モデル図FIG. 5 is a schematic model diagram showing a simplified type in FIG. 4;

【図6】図5の装置のプラズマ加工部における基板(被
処理物)の配置平面図
6 is an arrangement plan view of a substrate (workpiece) in a plasma processing unit of the apparatus of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 真空チャンバー 12 陰極(カソード) 14 陽極(アノード) 16 トリガ電極 18 アーク安定化磁界発生器 22 アーク電源 28 プラズマ案内磁界発生器(プラズマ誘導磁界発生
器) 30 基板(被処理物) 32 筒状体 34 プラズマ屈曲補助磁界発生器(プラズマ誘導磁界
発生器) 36 プラズマ拡散磁界発生器(プラズマ誘導磁界発生
器) 38 プラズマ拡散補助磁界発生器(プラズマ誘導磁界
発生器) 39 ドロップレット反射板 40 ドロップレットエネルギー吸収体 E プラズマ発生部 D、D1、D2、D3、D4 ドロップレット捕集部 G プラズマガイド部 T プラズマ加工部 P プラズマ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Vacuum chamber 12 Cathode 14 Anode 16 Trigger electrode 18 Arc stabilizing magnetic field generator 22 Arc power supply 28 Plasma guide magnetic field generator (plasma induction magnetic field generator) 30 Substrate (workpiece) 32 Cylindrical body 34 Plasma bending auxiliary magnetic field generator (plasma induction magnetic field generator) 36 Plasma diffusion magnetic field generator (plasma induction magnetic field generator) 38 Plasma diffusion auxiliary magnetic field generator (plasma induction magnetic field generator) 39 droplet reflector 40 droplet energy Absorber E Plasma generator D, D1, D2, D3, D4 Droplet collector G Plasma guide T Plasma processing P Plasma

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4K029 BA17 BA48 CA04 CA10 DD06 EA06 4K030 AA09 AA14 AA18 CA17 FA01 FA14 JA04 KA30 KA34 4K057 DD01 DE20 DM21  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 4K029 BA17 BA48 CA04 CA10 DD06 EA06 4K030 AA09 AA14 AA18 CA17 FA01 FA14 JA04 KA30 KA34 4K057 DD01 DE20 DM21

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 必要により反応性ガスを導入した真空雰
囲気下で真空アーク放電を行なってプラズマを発生させ
て、該プラズマをプラズマ加工部に流入させ、該プラズ
マ加工部に配置された被処理物をプラズマにより表面処
理加工を行なう方法であって、 前記プラズマ発生部からのプラズマ流れを磁界誘導によ
りプラズマ発生部と対面しない方向に屈曲又は拡散させ
て前記プラズマ加工部に流入させるとともに、前記プラ
ズマ発生部と対面する位置でプラズマの発生時に陰極か
ら副生する陰極材料微粒子(以下「ドロップレット」と
いう。)を捕集することを特徴とするプラズマ加工法。
1. A vacuum arc discharge is performed in a vacuum atmosphere into which a reactive gas is introduced as necessary, to generate plasma, and the plasma is caused to flow into a plasma processing section, and an object to be processed arranged in the plasma processing section is generated. A surface treatment process using plasma, wherein the plasma flow from the plasma generation unit is bent or diffused in a direction not facing the plasma generation unit by magnetic field induction to flow into the plasma processing unit, and the plasma generation is performed. A plasma processing method comprising collecting cathode material fine particles (hereinafter, referred to as “droplets”) by-produced from a cathode when plasma is generated at a position facing a portion.
【請求項2】 前記プラズマ流れの屈曲角度を、前記プ
ラズマ発生部のプラズマ放出軸線に対して略20〜80
°とすることを特徴とする請求項1記載のプラズマ加工
法。
2. The method according to claim 1, wherein the bending angle of the plasma flow is approximately 20 to 80 with respect to the plasma emission axis of the plasma generating unit.
2. The plasma processing method according to claim 1, wherein the angle is set to degrees.
【請求項3】 前記プラズマ発生部と対面する位置にド
ロップレット捕集口を設け、該ドロップレット捕集口に
連続する筒状体で前記ドロップレットの捕集を行なうこ
とを特徴とする請求項2記載のプラズマ加工法。
3. A droplet collecting port is provided at a position facing the plasma generating section, and the droplet is collected by a cylindrical body continuous with the droplet collecting port. 2. The plasma processing method according to 2.
【請求項4】 前記プラズマ流れがドーナツ状のプラズ
マ加工部に向かうように磁界により屈曲させることを特
徴とする請求項1記載のプラズマ加工法。
4. The plasma processing method according to claim 1, wherein the plasma flow is bent by a magnetic field so as to be directed to a donut-shaped plasma processing portion.
【請求項5】 前記反応性ガスとして、N2 、O2 、H
2 、CH4 、C2 2 、C24 、C26 、CO及び
CO2 の群から選択される1種又は2種以上を使用し、
前記真空雰囲気の圧力を10〜10-5Paとすることを
特徴とする請求項1、2、3又は4記載のプラズマ加工
法。
5. The method according to claim 5, wherein the reactive gas is NTwo , OTwo , H
Two , CHFour , CTwo H Two , CTwo HFour , CTwo H6 , CO and
COTwo Using one or more selected from the group of
The pressure of the vacuum atmosphere is 10 to 10-FiveTo be Pa
The plasma processing according to claim 1, 2, 3, or 4, wherein
Law.
【請求項6】 真空チャンバー内に、プラズマ発生部
と、プラズマ加工部と、該プラズマ加工部と干渉しない
部位にドロップレット捕集部とを備え、前記プラズマ発
生部からのプラズマ流れを前記プラズマ加工部へ向かう
ように屈曲又は拡散させる誘導磁界を発生するプラズマ
誘導磁界発生器とを備えていることを特徴とするプラズ
マ加工装置。
6. A vacuum chamber, comprising: a plasma generating section; a plasma processing section; and a droplet collecting section at a portion not interfering with the plasma processing section, wherein a plasma flow from the plasma generating section is subjected to the plasma processing. And a plasma induction magnetic field generator for generating an induction magnetic field that bends or diffuses toward the portion.
【請求項7】 前記プラズマ発生部に対して、前記プラ
ズマ加工部が直交位置に、前記ドロップレット捕集部が
対面位置にそれぞれ配されていることを特徴とする請求
項6記載のプラズマ加工装置。
7. The plasma processing apparatus according to claim 6, wherein the plasma processing unit is disposed at a position orthogonal to the plasma generating unit, and the droplet collecting unit is disposed at a position facing the plasma processing unit. .
【請求項8】 前記プラズマ発生部と前記プラズマ加工
部とを接続するプラズマガイド部の前記プラズマ発生部
のプラズマ放出軸線に対する交差角度が20〜80°で
あるとともに、前記ドロップレット捕集部が先端が閉じ
る筒状体で形成され、該筒状体はプラズマ発生部と対面
する位置にドロップレット捕集口を備えていることを特
徴とする請求項6記載のプラズマ加工装置。
8. The plasma guide section connecting the plasma generating section and the plasma processing section has an intersection angle of 20 to 80 ° with respect to a plasma emission axis of the plasma generating section, and the droplet collecting section has a tip end. 7. The plasma processing apparatus according to claim 6, wherein the cylindrical body is formed as a closed cylindrical body, and the cylindrical body has a droplet collecting port at a position facing the plasma generating portion.
【請求項9】 前記ドロップレット捕集口に、ドロップ
レットを前記筒状体に屈曲させる反射板が配されている
ことを特徴とする請求項8記載のプラズマ加工装置。
9. The plasma processing apparatus according to claim 8, wherein a reflector that bends the droplet into the cylindrical body is disposed at the droplet collecting port.
【請求項10】 前記プラズマ加工部がドーナツ状に配
され、該プラズマ加工部にプラズマ流れが向かうように
プラズマを拡散させるプラズマ誘導磁界発生器(プラズ
マ拡散磁界発生器)が配され、前記ドロップレット捕集
部が前記ドーナツ状のプラズマ加工部の内側先方に配さ
れていることを特徴とする請求項6記載のプラズマ加工
装置。
10. A plasma induction magnetic field generator (plasma diffusion magnetic field generator) for diffusing plasma so that a plasma flow is directed to the plasma processing unit, wherein the plasma processing unit is arranged in a donut shape. The plasma processing apparatus according to claim 6, wherein a collecting unit is disposed inward of the donut-shaped plasma processing unit.
【請求項11】 前記真空チャンバー内で前記プラズマ
加工部の底部側に前記プラズマ拡散磁界発生器が配さ
れ、該プラズマ加工部を形成する真空チャンバー周壁に
連続する下方へ縮径して閉じるテーパ筒状体で前記ドロ
ップレット捕集部が形成されていることを特徴とする請
求項10記載のプラズマ加工装置。
11. A tapered cylinder in which the plasma diffusion magnetic field generator is disposed in the vacuum chamber on the bottom side of the plasma processing section, and the diameter of the plasma diffusion magnetic field generator is reduced downward and continuous with a peripheral wall of the vacuum chamber forming the plasma processing section. The plasma processing apparatus according to claim 10, wherein the droplet collecting portion is formed in a shape.
【請求項12】 前記ドロップレット捕集部がプラズマ
加工部を形成する真空チャンバの平板状底壁部で兼ねら
れ、該平板状底壁部の外側下方に前記プラズマ拡散磁界
発生器が配されていることを特徴とする請求項11記載
のプラズマ加工装置。
12. The droplet collecting section also serves as a flat bottom wall of a vacuum chamber forming a plasma processing section, and the plasma diffusion magnetic field generator is disposed below and outside the flat bottom wall. The plasma processing apparatus according to claim 11, wherein:
【請求項13】 前記ドロップレット捕集部に、ドロッ
プレットの運動エネルギーを吸収するドロップレットエ
ネルギー吸収体が配されていることを特徴とする請求項
6、7、8、9、10、11又は12記載のプラズマ加
工装置。
13. A droplet energy absorber for absorbing kinetic energy of a droplet is disposed in the droplet collecting section. 13. The plasma processing apparatus according to item 12.
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