JP2006274294A - プラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置及びドロップレット除去方法 - Google Patents

Abstract

【目的】 プラズマ生成装置において生成されるプラズマとドロップレットとの混合状態からドロップレットを確実に除去することができるプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置を提供することである。
【構成】 真空アーク放電を行ってプラズマを発生させ、このプラズマとプラズマの発生時に陰極から副生するドロップレットとの混合状態であるドロップレット混合プラズマが進行する筒状進行路が設けられ、この筒状進行路の断面周方向に回転磁場を発生させる回転磁場印加手段が少なくとも１つ以上設けられ、この回転磁場印加手段により前記ドロップレット混合プラズマに回転磁場を印加し、前記ドロップレット混合プラズマを回転させながら前記筒状進行路を進行させて前記ドロップレットを遠心力により除去するプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、真空雰囲気下に設定されたアーク放電部で真空アーク放電を行ってプラズマを発生させ、プラズマの発生時に陰極から副生する陰極材料粒子（以下、「ドロップレット」という）を除去するようにしたプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置及びドロップレット除去方法に関する。

一般に、プラズマ中で固体材料の表面に薄膜を形成したり、イオンを注入することにより、固体の表面特性が改善されることが知られている。金属イオンや非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・耐食性を強化し、保護膜、光学薄膜、透明導電性膜などとして有用なものである。特に、カーボンプラズマを利用した炭素膜はダイヤモンド構造とグラファイト構造のアモルファス混晶からなるダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜という）として利用価値が高い。

金属イオンや非金属イオンを含むプラズマを発生する方法として、真空アークプラズマ法がある。真空アークプラズマは、陰極と陽極の間に生起するアーク放電で形成され、陰極表面上に存在する陰極点から陰極材料が蒸発し、この陰極蒸発物質により形成されるプラズマである。また、雰囲気ガスとして反応性ガス又は／及び不活性ガス（希ガスという）を導入した場合には、反応性ガス又は／及び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を行って表面処理を行うことができる。

一般に、真空アーク放電では、陰極点から陰極材料イオン、電子、陰極材料中性粒子（原子及び分子）といった真空アークプラズマ構成粒子が放出されると同時に、サブミクロン以下から数百ミクロン（０．０１〜１０００μｍ）の大きさのドロップレットと称される陰極材料微粒子も放出される。しかし、表面処理において問題となるのはドロップレットの発生である。このドロップレットが被処理物表面に付着すると、被処理物表面に形成される薄膜の均一性が失われ、薄膜の欠陥品となる。

ドロップレットの問題を解決する一方法として、磁気フィルタ法（P.J.Martin, R.P.Netterfield and T.J.Kinder, Thin Solid Films 193/194 (1990)77）（非特許文献１）がある。この磁気フィルタ法は、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。この方法によれば、発生したドロップレットは、ダクト内周壁に付着捕獲（捕集）され、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流が得られる。また、ダクトに沿って配置された磁石により湾曲磁場を形成し、この湾曲磁場によりプラズマ流を屈曲させ、プラズマを効率的にプラズマ加工部に誘導するように構成されている。

本発明者等の一部は先にドロップレット捕集部を有するプラズマ加工装置を提案している。この装置は、特開２００２−８８９３号公報（特許文献１）に記載され、図１０に示されている。図１０は、従来のプラズマ加工装置の構成概略図である。プラズマ発生部１０２では、陰極１０４とトリガ電極１０６の間に電気スパークを生起し、前記陰極１０４と陽極１０８の間に真空アークを発生させてプラズマ１０９が生成される。前記プラズマ発生部１０２には、前記電気スパーク及び真空アーク放電を発生するための電源１１０が接続され、前記プラズマ１０９を安定化させるプラズマ安定化磁場発生器１１６ａ、１１６ｂが配設されている。前記プラズマ１０９は前記プラズマ発生部１０２からプラズマ加工部１１２に誘導され、前記プラズマ加工部１１２に配置された被処理物１１４が前記プラズマ１０９により表面処理される。また、前記プラズマ加工部１１２に接続されるガス導入システムＧｔにより必要に応じて反応性ガスが導入され、ガス排気システムＧｈにより前記反応ガスやプラズマ流が排気される。

前記プラズマ発生部１０２から放出されるプラズマ１０９は、磁場によりプラズマ発生部１０２と対面しない方向に屈曲され、前記プラズマ加工部１１２に流入される。前記プラズマ発生部１０２と対面する位置には、プラズマ１０９の発生時に陰極から副生される陰極材料微粒子（ドロップレット）１１８が捕集されるドロップレット捕集部１２０が配設されている。従って、磁場の影響を受けないドロップレット１１８がドロップレット捕集部１２０に進行して捕集され、前記ドロップレット１１８がプラズマ加工部１１２内に進入することが防止される。
特開２００２−８８９３号公報 P.J.Martin, R.P.Netterfield and T.J.Kinder, Thin Solid Films 193/194 (1990)77

図１０に示す従来のプラズマ加工装置では、前記磁場の影響を受けないドロップレット１１８がドロップレット捕集部１２０に捕集されるが、プラズマ１０９との相互作用などにより電荷が付与された帯電ドロップレットが前記磁場により前記プラズマ加工部１１２に誘導される場合があった。更に、プラズマ流の流圧により、粒径の小さなドロップレットが前記プラズマ流に随伴して前記プラズマ加工部１１２に誘導されていた。従って、前記プラズマ流に混入する前記帯電ドロップレットや微小なドロップレットが被処理物表面に付着するから、被処理物表面に対する薄膜形成や表面改質の均一性が失われ、前記被処理物の表面特性を低下させていた。

また、非特許文献１に記載の磁気フィルタ法においても、前述のように、湾曲磁場によりプラズマ流を屈曲させ、プラズマを効率的にプラズマ加工部に移動させるものであるから、前記プラズマ流に混入する前記帯電ドロップレットや微小なドロップレットが除去されずに前記プラズマ加工部に誘導され、被処理物表面に衝突又は付着することを防止できなかった。

従って、本発明の目的は、プラズマ生成装置において生成されるプラズマとドロップレットとの混合状態であるドロップレット混合プラズマから前記ドロップレットを除去するドロップレット除去装置であって、前記ドロップレット混合プラズマに混入する帯電ドロップレットや微小なドロップレットを除去可能なドロップレット除去装置及びドロップレット除去方法を提供することである。

本発明は、上記課題を解決するために提案されたものであって、本発明の第１の形態は、真空雰囲気下に設定されたプラズマ発生部で真空アーク放電を行ってプラズマを発生させ、プラズマの発生時に陰極から副生する陰極材料粒子（以下「ドロップレット」という）を除去するようにしたプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置において、前記プラズマとドロップレットとの混合状態であるドロップレット混合プラズマが進行する筒状進行路が設けられ、この筒状進行路の断面周方向に回転磁場を発生させる回転磁場印加手段が少なくとも１つ以上設けられ、この回転磁場印加手段により前記ドロップレット混合プラズマに回転磁場を印加し、前記ドロップレット混合プラズマを回転させながら前記筒状進行路を進行させて前記ドロップレットを遠心力により除去するプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置である。

本発明の第２の形態は、前記筒状進行路のドロップレット混合プラズマを直進方向に進行させる直進磁場発生器を具備するプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置である。

本発明の第３の形態は、前記回転磁場印加手段が振動磁場を発生させる複数の振動磁場発生器から構成され、これらの振動磁場発生器により位相及び振動方向が異なる複数の振動磁場を発生させ、これらの振動磁場から前記回転磁場が合成されるプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置である。

本発明の第４の形態は、前記回転磁場印加手段が２つの振動磁場発生器から構成され、これらの振動磁場が直交又は略直交するように前記振動磁場発生器が配設されるプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置である。

本発明の第５の形態は、前記２つの振動磁場の位相差が９０°又は略９０°に設定されるプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置である。

本発明の第６の形態は、前記ドロップレット混合プラズマの進行方向に沿って複数の回転磁場印加手段が前記筒状進行路に配設されるプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置である。

本発明の第７の形態は、前記複数の回転磁場印加手段により印加される隣り合う回転磁場の位相が同位相に設定されるプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置である。

本発明の第８の形態は、前記複数の回転磁場印加手段により印加される隣り合う回転磁場の位相が前記ドロップレット混合プラズマの進行方向に沿って交互に１８０°又は略１８０°異なるように設定されるプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置である。

本発明の第９の形態は、前記振動磁場発生器がコイルを巻回した馬蹄形磁性体から形成されるプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置である。

本発明の第１０の形態は、前記筒状進行路の内壁にドロップレット捕集板が配設されるドロップレット除去装置である。

本発明の第１１の形態は、前記筒状進行路の前段にプラズマ進行路が連接され、このプラズマ進行路の始端側の折曲部にドロップレット進行路が配設され、前記プラズマが磁場により誘導されて前記プラズマ進行路を屈曲して前記筒状進行路に進行するように構成されるプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置である。

本発明の第１２の形態は、真空雰囲気下に設定されたプラズマ発生部で真空アーク放電によりプラズマを発生させ、このプラズマ発生部で生成されたプラズマを磁場により誘導して、プラズマ発生時に陰極から副生する陰極材料粒子（以下「ドロップレット」という）を除去するプラズマ生成装置におけるドロップレット除去方法において、前記プラズマとドロップレットとが混合状態にあるドロップレット混合プラズマを筒状進行路に導入し、この筒状進行路内に断面周方向に回転する回転磁場を印加し、この回転磁場により前記ドロップレット混合プラズマを回転させながら進行させ、前記ドロップレットを遠心力により除去するプラズマ生成装置におけるドロップレット除去方法である。

本発明の第１の形態によれば、前記ドロップレット混合プラズマが進行する筒状進行路内の断面周方向に回転磁場を発生させる回転磁場印加手段が配置され、前記回転磁場により前記ドロップレット混合プラズマが回転しながら進行するから、このドロップレット混合プラズマから遠心力により前記帯電ドロップレットや微小なドロップレットを分離することができる。前記ドロップレット混合プラズマは、回転しながら前記筒状進行路の断面周方向に屈曲して進行し、徐々に回転半径が拡大する。更に、前記回転磁場が印加されない領域まで進行すると、前記筒状進行路の終端側又は全体に印加される直進方向の磁場により、前記筒状進行路の中心軸に近づくか、又は前記筒状進行路の終端に向かって直進する。前記ドロップレットは、プラズマ構成粒子より質量が大きいため、急激なプラズマ流の進行方向の変化に追従できないから、前記ドロップレットを慣性力により前記筒状進行路内の壁面に衝突させて除去することができる。即ち、前記回転磁場に固定された回転座表系から見れば、前記ドロップレットは回転磁場と質量に比例する遠心力を受けるから、この遠心力により前記ドロップレットを前記ドロップレット混合プラズマから分離して、高純度のプラズマ流を形成することができる。

また、磁場を増大させることにより、微小なドロップレットを除去することができ、大きな質量を有する帯電ドロップレットも、前記遠心力により高効率に除去することができる。従って、本発明に係るドロップレット除去装置は、被処理物表面に高純度の薄膜を形成することができ、前記被処理物表面に均一な表面改質を施すことができる。また、前記ドロップレット混合プラズマが進行する経路は、磁場強度を調整することにより所望の大きさに設定することができるから、ドロップレット除去装置を小型化することができる。

本発明の第２の形態によれば、前記筒状進行路内の直進方向に進行させる直進磁場発生器が具備されるから、前記ドロップレット混合プラズマからドロップレット成分を分離してプラズマ成分のみを高効率に前記筒状進行路の流出口に誘導
することができる。前記直進磁場発生器により前記筒状進行路の中心軸近傍にプラズマを誘導する磁場勾配が形成されるから、前記回転磁場により断面周方向に屈曲したプラズマ流を筒状進行路の中心軸に誘導することができる。従って、前記プラズマとドロップレットを確実に分離することができる。更に、前記プラズマ流が前記筒状進行路の中心軸又は中心軸近傍を進行するから、ドロップレットが除去されたプラズマ流の制御を容易に行うことができる。また、前記直進磁場発生器による直進磁場との電磁相互作用により、プラズマ流が直線磁場の方向に沿って螺旋軌道を描きながら進行する場合、前記プラズマの旋回方向に回転する回転磁場を前記ドロップレット混合プラズマに印加することにより、前記ドロップレットに作用する遠心力を増大させることができる。従って、前記ドロップレット混合プラズマから前記ドロップレットを高効率に分離して除去することができる。

本発明の第３の形態によれば、前記回転磁場印加手段が振動磁場を発生させる複数の振動磁場発生器から構成され、これらの振動磁場発生器により位相及び振動方向が異なる複数の振動磁場を発生させ、これらの振動磁場から前記回転磁場を合成するから、この回転磁場を高精度に制御することができる。前記振動磁場発生器は電磁石から構成され、取付け位置と印加電圧を調整することにより、振動磁場の位相、振幅、振動数及び振動方向を自在に調節することができ、複数の振動磁場を組み合わせることにより、所望の回転磁場を合成することができる。即ち、前記筒状進行路の形状や大きさ、またはプラズマやドロップレットの特性や状態に応じて好適な回転磁場を印加することができ、回転磁場の回転方向や強度等を自在に設定することができる。従って、プラズマ流が進行方向に沿って螺旋軌道を描きながら進行する場合、前記プラズマ流の旋回方向に応じて回転磁場の回転方向を自在に選択することができる。また、各振動磁場発生器の配置は、所望の回転磁場が合成可能であれば良く、適宜に選択することができる。

本発明の第４の形態によれば、前記回転磁場印加手段が２つの振動磁場発生器から構成され、これらの振動磁場が直交又は略直交するように前記振動磁場発生器が配設されるから、２つの振動磁場を、夫々、Ｘ軸成分及びＹ軸成分とすれば、種々の回転磁場を合成することができる。また、直交又は略直交の関係にある２つの振動磁場を発生することが可能であれば、前記２つの振動磁場発生器の配設位置は、前記筒状進行路断面の同一面に限定されるものではなく、一方を前記断面からずらして配設することができる。

本発明の第５の形態によれば、前記直交又は略直交する２つの振動磁場の位相差が９０°又は略９０°に設定されるから、前記２つの振動磁場により回転磁場を容易に制御することができ、安定した回転磁場を発生させることができる。前記２つの振動磁場の振幅を同一に設定すれば、回転磁場の強度を一定に維持することができ、前記ドロップレット混合プラズマを円形に回転させながら筒状進行路内を進行させることができる。従って、前記筒状進行路内壁の周方向に均一にドロップレットを放出することができ、前記内壁の一部にドロップレットの付着が集中し、そのようなドロップレットが剥離することを防止できる。

本発明の第６の形態によれば、前記ドロップレット混合プラズマの進行方向に沿って複数の回転磁場印加手段が前記筒状進行路に配設されるから、複数段に亘ってドロップレットを除去することができ、高純度のプラズマ流を供給することができる。従って、前記プラズマによる表面処理において、被処理物表面の表面改質や形成膜の均一性を格段に向上させることができる。

本発明の第７の形態によれば、前記複数の回転磁場印加手段により印加される各回転磁場の位相が同位相に設定されるから、簡易に複数の回転磁場印加手段を制御することができる。即ち、前記複数の回転磁場印加手段に接続される制御装置を全て同条件に設定することができ、複数の回転磁場を簡易に調整することができる。更に、前記筒状進行路の所定位置にドロップレット捕集部が設けられた場合、同位相の各回転磁場を偏向させて、前記ドロップレット捕集部の方向への遠心力を増強することができ、前記ドロップレットを確実に除去することができる。

本発明の第８の形態によれば、前記複数の回転磁場印加手段により印加される各回転磁場の位相が前記ドロップレット混合プラズマの進行方向に沿って交互に１８０°又は略１８０°異なるように設定されるから、隣り合う回転磁場の方向が逆方向となり、この回転磁場により分離されたドロップレットが隣り合う回転磁場によって回転しながら進行するドロップレット混合プラズマ中に混入することを防止することができる。即ち、前記ドロップレット混合プラズマが屈曲する方向が交互に逆方向となるから、遠心力により分離されるドロップレットの放出方向を交互に反転させることができ、分離されたドロップレットが前記ドロップレット混合プラズマに再混入することを防止することができる。

本発明の第９の形態によれば、前記振動磁場発生器がコイルを巻回した馬蹄形磁性体から形成されるから、コイルの両端から発生する磁場を筒状進行路内に印加することができ、前記磁性体に巻回されることにより磁場が増強されるから、高効率に振動磁場を発生させることができる。従って、コイルの自己インダクタンスを小さく設定することができ、振動磁場の最大振動数を増大させることができる。更に、コイルから発生する熱量を前記馬蹄形磁性体を介して放出することができる。

本発明の第１０の形態によれば、前記筒状進行路の内壁にドロップレット捕集板が配設されるから、前記ドロップレット混合プラズマから分離されたドロップレットを確実に除去することができる。前記内壁で反射したドロップレットが更に前記捕集板に衝突し、運動量を失って捕集板に付着するから、分離されたドロップレットがプラズマ中に再混入することを防止することができる。

本発明の第１１の形態によれば、前記プラズマが磁場により誘導されて前記プラズマ進行路を屈曲して前記筒状進行路に向けて進行するように構成され、このプラズマ進行路の始端側の折曲部にドロップレット進行路が配設されるから、サイズの大きなドロップレットを前記ドロップレット進行路の終端に設けられたドロップレット捕集部に捕集することができる。サイズの大きなドロップレットが前記筒状進行路内に進行すると、短時間に筒状進行路の壁面が付着するドロップレットにより覆われ、ドロップレットが剥離し易くなっていた。しかし、本発明に係るドロップレット除去装置では、前記筒状進行路の前段でサイズの大きなドロップレットが除去されるから、剥離したドロップレットが再混入することを防止することができる。更に、複数段に亘ってドロップレットを除去するから、確実にドロップレットを除去できると共に、前記壁面に付着したドロップレットを洗浄することなく、プラズマ生成装置を長時間稼動させることができる。

本発明の第１２の形態によれば、前記プラズマとドロップレットとが混合状態にあるドロップレット混合プラズマを筒状進行路に導入し、このドロップレット混合プラズマに筒状進行路の断面周方向に回転する回転磁場を印加し、この回転磁場により前記ドロップレット混合プラズマを回転させながら進行させるから、遠心力により前記ドロップレット混合プラズマから前記帯電ドロップレットや微小なドロップレットを分離することができる。前記ドロップレット混合プラズマは回転しながら前記筒状進行路の断面周方向に屈曲して進行し、徐々に前記回転半径が拡大する。従って、前記ドロップレットは、磁場の回転に伴う遠心力により前記断面周方向に進行し、前記筒状進行路の内壁に付着して除去される。また、遠心力は、回転半径、回転速度とドロップレット粒の質量に比例するから、磁場の増大により回転半径、磁極の切り替え速度により回転速度を変化させることにより、微小なドロップレットを除去することができる。また、前記帯電ドロップレットもプラズマに比べて大きな質量を有しているから、前記遠心力により前記帯電ドロップレットを除去することができる。従って、本発明に係るドロップレット除去装置は、被処理物表面に高純度の薄膜を形成することができ、前記被処理物表面に均一な表面改質を施すことができる。

以下、本発明に係るプラズマ生成装置の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。本発明において、被処理物を加工するプラズマ加工部を付設した装置又はプラズマ加工部を付設しない装置の両方がプラズマ生成装置として包含される。プラズマ加工部を有するプラズマ生成装置は、プラズマ加工装置と称されてもよい。

図１は本発明に係るプラズマ生成装置の概略構成図である。図に示すプラズマ生成装置は、プラズマ発生部２、プラズマ加工部１２及びドロップレット除去装置５から構成される。このドロップレット除去装置５は、筒状進行路３、直進磁場発生器２４及び回転磁場発生手段２５から構成され、さらに前記筒状進行路３の前段にプラズマ進行路７が連接され、このプラズマ進行路７の折曲部７ａにドロップレット進行路３２が配設されている。

前記プラズマ発生部２は、陰極（カソード）４、トリガ電極６、陽極（アノード）８、陰極プロテクタ２７、プラズマ安定化磁界発生器（電磁コイル若しくは磁石）１６を備えている。前記陰極４は、プラズマ構成物質の供給源であり、その形成材料は、導電性を有する固体なら特に限定されず、金属単体、合金、無機単体、無機化合物（金属酸化物・窒化物）等を単独又は２種以上混合して用いることができる。前記陰極プロテクタ２７は、蒸発する陰極表面以外を電気絶縁し、陰極４と陽極８との間に発生するプラズマが後方に拡散することを防止するものである。前記陽極８の形成材料は、プラズマ温度でも蒸発せず、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。また陽極８の形状はアークプラズマの全体の進行を遮るものでなければ、特に限定されない。更に、前記プラズマ安定化磁界発生器１６は、プラズマ発生部２の外周に配置され、プラズマを安定化させる。プラズマに対する印加磁場が互いに逆方向（カスプ形）となるように前記アーク安定化磁界発生器１６が配置された場合、プラズマはより安定化する。

前記プラズマ発生部２では、陰極４とトリガ電極６の間に電気スパークを生起し、前記陰極４と陽極８の間に真空アークを発生させてプラズマが生成される。このプラズマの構成粒子は、前記陰極４からの蒸発物質、蒸発物質と反応ガスを起源とする荷電粒子（イオン、電子）と共に、プラズマ前状態の分子、原子の中性粒子を含む。また、プラズマ構成粒子が放出されると同時に、サブミクロン以下から数百ミクロン（０．０１〜１０００μｍ）サイズのドロップレット１８が放出される。このドロップレット１８は、プラズマ流との混合状態を形成し、ドロップレット混合プラズマ９としてプラズマ進行路７内を移動する。

図１のドロップレット装置３は、上述のように、筒状進行路３の前段にプラズマ進行路７が連接され、このプラズマ進行路７の折曲部７ａにドロップレット進行路３２が配設されている。更に、前記プラズマ進行路７には、第１磁場発生器２６、屈曲磁場発生器２８及び第２磁場発生器３０が配設されている。前記折曲部７ａに斜行配置された前記屈曲磁場発生器２８により屈曲磁場が印加され、前記プラズマ発生部から放出されたドロップレット混合プラズマ９は、前記折曲部７ａで屈曲される。このとき、電気的に中性なドロップレット１８は、前記屈曲磁場の影響を受けず、慣性力によって前記ドロップレット進行路３２に進行し、前記ドロップレット捕集部２０に捕集される。

しかし、質量の小さな微小なドロップレットは、プラズマ流の流圧によりプラズマに随伴して進行し、プラズマとの混合状態を維持し続ける。また、前記陰極表面における真空アーク放電やプラズマとの相互作用によって電荷が付与された帯電ドロップレットも、前記屈強磁場や流圧の影響を受け、プラズマとの混合状態を維持する。従って、前記ドロップレット混合プラズマは、質量の大きなドロップレットが除去されるが、微小なドロップレットや帯電ドロップレットとプラズマとの混合状態を維持し、ドロップレット混合プラズマ９としてプラズマ進行路を進行する。このドロップレット混合プラズマは、第２磁場発生器の磁場により、前記プラズマ進行路７から筒状進行路３に進行する。前記筒状進行路には、前記Ｘ軸方向の振動磁場Ｂ_Ｘを発生させる振動磁場発生器２２ａ、２２ａ及びＹ軸方向の振動磁場Ｂ_Ｙを発生させる振動磁場発生器２３ａ（図２参照）が、振動磁場Ｂ_Ｘと振動磁場Ｂ_Ｙが直交するように配設されている。更に、Ｚ軸方向の直進磁場Ｂ_Ｚを発生させる直進磁場発生器２４が配設され、この直進磁場発生器２４は前記筒状進行路３の外周に巻回された電磁コイルから構成される。従って、前記ドロップレット混合プラズマは、前記回転磁場と直進磁場により前記筒状進行路を回転しながら進行する。

図２は、本発明に係る筒状進行路３に形成される回転磁場の説明図である。（２Ａ）には、振動磁場発生器２２ａ、２２ａによる時刻ｔの振動磁場Ｂ_Ｘ（ｔ）、振動磁場発生器２３ａ、２３ａによる時刻ｔの振動磁場Ｂ_Ｙ（ｔ）及び時刻ｔの回転磁場Ｂ_Ｒ（ｔ）の関係を示す。（２Ａ）では、前記筒状進行路におけるプラズマ流が通過する１つの位置に印加される磁場を示し、直進磁場Ｂ_Ｚは定常磁場としている。しかし、前記直進磁場を時間と共に変化させることもできる。時刻ｔ＝ｔ_１における振動磁場Ｂ_Ｘ（ｔ_１）及びＢ_Ｙ（ｔ_１）から回転磁場Ｂ_Ｒ（ｔ_１）が合成される。

（２Ｂ）及び（２Ｃ）（時刻表記（ｔ）を省略）に示すように、前記回転磁場Ｂ_Ｒと直進磁場Ｂ_Ｚから合成磁場Ｂが合成され、前記ドロップレット混合プラズマは、合成磁場Ｂの方向に屈曲されて前記筒状進行路３を進行する。同様に、（２Ａ）では、時刻ｔ＝ｔ_２における振動磁場Ｂ_Ｘ（ｔ_２）及びＢ_Ｙ（ｔ_２）から回転磁場Ｂ_Ｒ（ｔ_２）が合成される。即ち、時刻ｔがｔ_１からｔ_２に進むと、振動磁場Ｂ_Ｘ（ｔ_１）、Ｂ_Ｙ（ｔ_１）が振動磁場Ｂ_Ｘ（ｔ_２）、Ｂ_Ｙ（ｔ_２）に変化し、前記回転磁場Ｂ_Ｒ（ｔ）がＢ_Ｒ（ｔ_１）からＢ_Ｒ（ｔ_２）へ回転する。従って、振動磁場発生器２２ａ、２２ａ、２３ａ、２３ａに通電する交流電流の位相差、振動数及び電流量を調整し、振動磁場Ｂ_Ｘ（ｔ）、Ｂ_Ｙ（ｔ）を制御することにより、所望の回転磁場Ｂ_Ｒ（ｔ）を発生させることができる。尚、以下では時刻表記（ｔ）を省略して、振動磁場Ｂ_Ｘ、Ｂ_Ｙ及び回転磁場Ｂ_Ｒと表記する。

（２Ｂ）及び（２Ｃ）には、振動磁場Ｂ_Ｘ、Ｂ_Ｙ、直進磁場Ｂ_Ｚ、回転磁場Ｂ_Ｒと合成磁場Ｂの関係を示す。（２Ｂ）では、振動磁場Ｂ_Ｘの振幅Ｂ_Ｘ0と振動磁場Ｂ_Ｙの振幅Ｂ_Ｙ0が同じ値に設定され、位相差９０°の振動磁場Ｂ_Ｘ、Ｂ_Ｙが同じ振動数で振動することにより、回転磁場Ｂ_Ｒが一定強度で回転する。従って、前記プラズマ流は、円形に回転しながら前記筒状進行路３を進行する。（２Ｃ）では、振幅Ｂ_Ｘ0より振幅Ｂ_Ｙ0が小さく設定され、（２Ｂ）と同様に、位相差９０°の振動磁場Ｂ_Ｘ、Ｂ_Ｙを同じ振動数で振動させることにより、（２Ｃ）の回転磁場Ｂ_Ｒのベクトルは楕円形に回転する。従って、前記プラズマ流は、Ｙ方向に屈曲される力が小さくなるから、楕円状に回転しながら前記筒状進行路３を進行する。

図３は、前記振動磁場Ｂ_Ｘ、Ｂ_Ｙと回転磁場Ｂ_Ｒの時間変化を示すグラフ図である。前記振動磁場Ｂ_Ｘ、Ｂ_Ｙが以下の式で与えられる場合、前記回転磁場Ｂ_Ｒは等速円運動をする。
Ｂ_Ｘ＝Ｂ_Ｘ０・ｓｉｎ（ωｔ＋δ） （１）
Ｂ_Ｙ＝Ｂ_Ｙ０・ｃｏｓ（ωｔ＋δ） （２）
ここで、Ｂ_Ｘ０、Ｂ_Ｙ０は振幅、ωは角振動数、δは初期位相である。その結果、時刻の変化とともにドロップレット混合プラズマは前記筒状進行路３を回転しながら進行する。（３Ａ）には、振動磁場Ｂ_Ｘ（δ＝０）の時間変化を示し、（３Ｂ）には、振幅Ｂ_Ｘ０と振幅Ｂ_Ｙ０が同じ場合の振動磁場Ｂ_Ｙ（実線）と振幅Ｂ_Ｙ０が振幅Ｂ_Ｘ０より小さく設定された振動磁場Ｂ_Ｙ（一点鎖線）の時間変化を示す。（３Ｃ）は、（３Ａ）に示した振動磁場Ｂ_Ｘと（３Ｂ）に示した実線の振動磁場Ｂ_Ｙによる回転磁場Ｂ_Ｒの強度の時間変化を示す。回転磁場Ｂ_Ｒの絶対値は、上記の（１）式と（２）式から、以下の式で与えられる。
｜Ｂ_Ｒ｜＝（Ｂ_Ｘ ²＋Ｂ_Ｙ ²）^1/2
＝（Ｂ_Ｘ０ ²・ｓｉｎ²（ωｔ＋δ）＋Ｂ_Ｙ０ ²・ｃｏｓ²（ωｔ＋δ））^1/2
＝（（（Ｂ_Ｘ０ ²＋Ｂ_Ｙ０ ²）＋
（Ｂ_Ｙ０ ²−Ｂ_Ｘ０ ²）ｃｏｓ（２ωｔ＋２δ））／２）^1/2 （３）

従って、振動磁場Ｂ_Ｘと振動磁場Ｂ_Ｙが同じ振幅で振動する場合、Ｂ_Ｘ０＝Ｂ_Ｙ０であるから（３）式より回転磁場Ｂ_Ｒは、（（Ｂ_Ｘ０ ²＋Ｂ_Ｙ０ ²）／２）^1/2＝Ｂ_Ｙ０で与えられ、（３Ｃ）に示すように、回転磁場Ｂ_Ｒが一定強度で回転する。（３Ｄ）には、（３Ａ）に示した振動磁場Ｂ_Ｘと（３Ｂ）に示した一点鎖線の振動磁場Ｂ_Ｙによる回転磁場Ｂ_Ｒの強度の時間変化を示す。（２Ｃ）と同様に振幅Ｂ_Ｘ0より振幅Ｂ_Ｙ0が小さく設定されるから、回転磁場Ｂ_Ｒは、（３Ｄ）に示すように、（３）式に従って周期的に変化する。更に、（３Ａ）及び（３Ｂ）では、前記振動磁場Ｂ_Ｘの位相が振動磁場Ｂ_Ｙに対して９０°遅れているため、前記回転磁場Ｂ_Ｒは右回り回転するが、前記振動磁場Ｂ_Ｘの位相を振動磁場Ｂ_Ｙに対して９０°先行させることにより、回転磁場Ｂ_Ｒの回転方向を反転させることができる。

図４は、本発明に係る筒状進行路３の構成概略図（４Ａ）と筒状進行路３に印加される合成磁場Ｂの説明図（４Ｂ）である。（４Ａ）に示すように、前記振動磁場Ｂ_Ｘ、Ｂ_Ｙは、前記前記筒状進行路３の局所領域に印加されるから、（４Ｂ）に示す振動磁場Ｂ_Ｘ、Ｂ_Ｙから合成される回転磁場Ｂ_Ｒが前記局所領域に形成される。前記筒状進行路３に誘導されたドロップレット混合プラズマ９は、前記局所領域において、（４Ｂ）に示される回転磁場Ｂ_Ｒと直進磁場Ｂ_Ｚの合成磁場Ｂにより、回転しながら斜め方向に屈曲して、壁面３ａの方向に進行する。前記直進磁場Ｂ_Ｚは、前記筒状進行路３の始端近傍から終端近傍までのほぼ全領域に印加され、前記筒状進行路の中心軸３ｂ近傍で前記直進磁場Ｂ_Ｚが最小となる。従って、前記回転磁場Ｂ_Ｒが印加される局所領域を通過したドロップレット混合プラズマ９のプラズマ成分は、前記筒状進行路断面内の磁場勾配により磁場の弱い中心軸３ｂの方向に誘導される。

しかし、前記ドロップレットは、プラズマ構成粒子より質量が大きいため、急激なプラズマ流の進行方向の変化に追従できず、前記ドロップレット１８は慣性力により壁面３ａの方向へ分離される。前記回転磁場Ｂ_Ｒに固定された回転座表系から見れば、前記ドロップレットは回転磁場Ｂ_Ｒと質量に比例する遠心力を受けており、この遠心力により前記ドロップレットが前記ドロップレット混合プラズマ９から分離され、高純度のプラズマ流が形成される。更に、前記壁面３ａに捕集板３３が配設されることにより、分離されたドロップレットが前記壁面３ａに反射され、再びプラズマ流に混入することが防止される。

更に、図１に示すように、前記折曲部７ａ及び筒状進行路３において前記ドロップレットが除去されたプラズマ９ａは、終端側のプラズマ進行路７ｂを第３磁場発生器３１の磁場により誘導されて進行し、プラズマ加工部１２に導入され、被処理物１４の表面処理が行われる。従って、前記プラズマ９ａにより前記被処理物表面に均一な表面改質を施したり、欠陥や不純物の少ない高品質の薄膜を形成することができる。また、前記プラズマ発生部２と筒状進行路３との間に折曲するプラズマ進行路を設けず、前記プラズマ発生部２に筒状進行路３を連設しても良い。また、図１の実施例では、プラズマ加工部１２及びプラズマ進行路７に対して前記筒状進行路３を斜向配置させることにより、前記ドロップレット１８がプラズマ進行路からプラズマ加工部１２に進入することを防止している。更に、前記筒状進行路の終端にアパーチャー４０を設置することにより、前記ドロップレット１８が除去されたプラズマ９ａの中心部のみを通過させ、高密度で均一なプラズマ流を前記プラズマ加工部に導入することができる。

図５は、本発明に係る２つの回転磁場印加手段２５、２５が配設された筒状進行路３の断面概略図である。このドロップレット除去装置では、２つの回転磁場印加手段２５、２５が配設されるから、２箇所に形成される回転磁場により前記ドロップレット１８を除去することができる。図５の実施例では、前段の回転磁場と後段の回転磁場とが逆位相に設定されている。即ち、２つの回転磁場に１８０°又は略１８０°の位相差が設定されている。この場合、前段の回転磁場により分離されたドロップレットが再び後段で回転されるドロップレット混合プラズマ９中に混入することが防止される。

図６は、本発明に係る２つの回転磁場印加手段２５、２５が近距離に配設された筒状進行路３の断面概略図である。２つの回転磁場印加手段２５、２５を近距離に配設することにより、前段でドロップレット１８ａを分離させたドロップレット混合プラズマが前記直進磁場の勾配により前記筒状進行路の中心軸近傍に近づくとき、後段の回転磁場は対面する壁面３ａの方向に印加される。従って、前記ドロップレット混合プラズマはより高速に加速されるから、前記ドロップレットには、増強された前記遠心力が作用して、高効率にドロップレットが分離される。図５の実施例では、前段の回転磁場と後段の回転磁場とが逆位相に設定されている。

図７は、本発明に係る２つの回転磁場印加手段２５、２５が配設された筒状進行路３の断面概略図である。２つの回転磁場印加手段２５、２５の回転磁場が同位相に設定されている。従って、２つの回転磁場印加手段２５、２５に接続される制御手段の設定が同条件に設定される。従って、１つの制御手段を２つの回転磁場印加手段複数２５、２５に接続して制御することもできる。特に、２つの回転磁場を容易に同一方向に偏向させることができる。従って、前記壁面３ａの所定位置にドロップレット捕集部を設けた場合、同位相の２つの各回転磁場をドロップレット捕集部の方向に偏向させ、遠心力により前記ドロップレットを分離して、前記ドロップレット捕集部に捕集することができる。

図８は、電磁コイル３６を巻回した馬蹄形磁性体３８を示す構成概略図である。（８Ａ）は、Ｘ軸方向の振動磁場発生器２２を示し、（８Ｂ）はＹ軸方向の振動磁場発生器２３を示している。馬蹄形磁性体３８は略円弧状Ｕ字形に形成され、この馬蹄形磁性体３８の中央部に電磁コイル３６が巻回され、振動磁場発生器２２、２３が構成されている。従って、前記電磁コイル３６の両端から発生する磁場が前記馬蹄形磁性体３８を介して、前記筒状進行路３内に印加される。磁性体に巻回されることにより磁場が増強され、交流電源に接続することにより高効率に振動磁場を発生させることができる。従って、電磁コイル３６の巻数をより少なく設定することが可能であり、自己インダクタンスを小さく設定することができる。また、前記電磁コイル３６から発生する熱量は、前記馬蹄形磁性体３８を介して放出される。

図９は、本発明に係るＸ軸方向の振動磁場発生器２２とＹ軸方向の振動磁場発生器２３が連設された筒状進行路３の構成概略図である。図８の（８Ａ）に示したＸ軸方向の振動磁場発生器２２と、（８Ｂ）に示したＹ軸方向の振動磁場発生器２３を筒状進行路３の外周に連設し、互いの振動磁場Ｂ_Ｘ、Ｂ_Ｙを合成することにより、回転磁場が形成される。前記振動磁場Ｂ_Ｘと振動磁場Ｂ_Ｙが印加される位置は、Ｚ軸方向にずれるが、前記ドロップレット混合プラズマが合成磁場から受ける作用は、前記振動磁場発生器を同一平面上に配置して回転磁場を発生させた場合とほぼ同じになる

本発明は、上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々変形例、設計変更などをその技術的範囲内に包含するものであることは云うまでもない。

本発明に係るプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置は、回転磁場を印加してドロップレット混合プラズマを回転させながら進行させることにより、遠心力によりドロップレットを確実に除去することができる。従って、プラズマ生成装置により生成されるプラズマを用いれば、プラズマ中で固体材料の表面に欠陥や不純物が格段に少ない高純度の薄膜を形成したり、前記プラズマを照射することにより、固体の表面特性を欠陥や不純物を付与することなく、均一に改質することができる。本発明に係るプラズマを用いることにより、固体表面における高品質の耐磨耗性・耐食性強化膜、保護膜、光学薄膜、透明導電性膜などを形成することができる。

本発明に係るプラズマ生成装置の概略構成図である。 本発明に係る筒状進行路の断面概略図と筒状進行路に形成される回転磁場の説明図である。 前記振動磁場Ｂ_Ｘ、Ｂ_Ｙと回転磁場Ｂ_Ｒの時間変化を示すグラフ図である。 本発明に係る筒状進行路の構成概略図と筒状進行路に印加される合成磁場の説明図である。 本発明に係る２つの回転磁場印加手段が配設された筒状進行路の断面概略図である。 本発明に係る２つの回転磁場印加手段が近距離に配設された筒状進行路の断面概略図である。 本発明に係る２つの回転磁場印加手段が配設された筒状進行路の断面概略図である。 電磁コイルを巻回した馬蹄形磁性体を示す構成概略図である。 本発明に係るＸ軸方向の振動磁場発生器とＹ軸方向の振動磁場発生器が連設された筒状進行路の構成概略図である。 従来のプラズマ加工装置の構成概略図である。

符号の説明

２ プラズマ発生部
３ 筒状進行路
３ａ 壁面
４ 陰極
５ ドロップレット除去装置
６ トリガ電極６
７ プラズマ進行路
７ａ 折曲部
７ｂ 折曲部
８ 陽極
９ ドロップレット混合プラズマ
９ａ プラズマ
１２ プラズマ加工部
１４ 被処理物
１６ プラズマ安定化磁界発生器
１８ ドロップレット
２０ ドロップレット捕集部
２２ 振動磁場発生器２２
２２ａ 振動磁場発生器
２３ 振動磁場発生器２３
２３ａ 振動磁場発生器
２４ 直進磁場発生器
２５ 回転磁場発生手段
２６ 第１磁場発生器
２７ 陰極プロテクタ
２８ 屈曲磁場発生器
３０ 第２磁場発生器
３１ 第３磁場発生器
３２ ドロップレット進行路
３３ 捕集板
３６ 電磁コイル
３８ 馬蹄形磁性体
４０ アパーチャー
１０２ プラズマ発生部
１０４ 陰極
１０６ トリガ電極
１０８ 陽極
１０９ プラズマ
１１０ 電源
１１２ プラズマ加工部
１１４ 被処理物
１１６ａ プラズマ安定化磁場発生器
１１６ｂ プラズマ安定化磁場発生器
１１８ 陰極材料微粒子（ドロップレット）
１２０ ドロップレット捕集部
Ｂ_Ｚ 直進磁場
Ｂ_Ｘ 振動磁場
Ｂ_Ｙ 振動磁場
Ｂ_Ｒ 回転磁場
Ｂ 合成磁場
Ｇｔ ガス導入システム
Ｇｈ ガス排気システム

Claims (12)

1. 真空雰囲気下に設定されたプラズマ発生部で真空アーク放電を行ってプラズマを発生させ、プラズマの発生時に陰極から副生する陰極材料粒子（以下「ドロップレット」という）を除去するようにしたプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置において、前記プラズマとドロップレットとの混合状態であるドロップレット混合プラズマが進行する筒状進行路が設けられ、この筒状進行路の断面周方向に回転磁場を発生させる回転磁場印加手段が少なくとも１つ以上設けられ、この回転磁場印加手段により前記ドロップレット混合プラズマに回転磁場を印加し、前記ドロップレット混合プラズマを回転させながら前記筒状進行路を進行させて前記ドロップレットを遠心力により除去することを特徴とするプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置。
2. 前記筒状進行路のドロップレット混合プラズマを直進方向に進行させる直進磁場発生器を具備する請求項１に記載のプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置。
3. 前記回転磁場印加手段が振動磁場を発生させる複数の振動磁場発生器から構成され、これらの振動磁場発生器により位相及び振動方向が異なる複数の振動磁場を発生させ、これらの振動磁場から前記回転磁場が合成される請求項１又は２に記載のプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置。
4. 前記回転磁場印加手段が２つの振動磁場発生器から構成され、これらの振動磁場が直交又は略直交するように前記振動磁場発生器が配設される請求項３に記載のプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置。
5. 前記２つの振動磁場の位相差が９０°又は略９０°に設定される請求項４に記載のプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置。
6. 前記ドロップレット混合プラズマの進行方向に沿って複数の回転磁場印加手段が前記筒状進行路に配設される請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置。
7. 前記複数の回転磁場印加手段により印加される隣り合う回転磁場の位相が同位相に設定される請求項６に記載のプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置。
8. 前記複数の回転磁場印加手段により印加される隣り合う回転磁場の位相が前記ドロップレット混合プラズマの進行方向に沿って交互に１８０°又は略１８０°異なるように設定される請求項６に記載のプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置。
9. 前記振動磁場発生器がコイルを巻回した馬蹄形磁性体から形成される請求項３〜８のいずれかに記載のプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置。
10. 前記筒状進行路の内壁にドロップレット捕集板が配設される請求項１〜９に記載のプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置。
11. 前記筒状進行路の前段にプラズマ進行路が連接され、このプラズマ進行路の始端側の折曲部にドロップレット進行路が配設され、前記プラズマが磁場により誘導されて前記プラズマ進行路を屈曲して前記筒状進行路に進行するように構成される請求項１〜１０のいずれかに記載のプラズマ生成装置におけるドロップレット除去装置。
12. 真空雰囲気下に設定されたプラズマ発生部で真空アーク放電によりプラズマを発生させ、このプラズマ発生部で生成されたプラズマを磁場により誘導して、プラズマ発生時に陰極から副生する陰極材料粒子（以下「ドロップレット」という）を除去するプラズマ生成装置におけるドロップレット除去方法において、前記プラズマとドロップレットとが混合状態にあるドロップレット混合プラズマを筒状進行路に導入し、この筒状進行路内に断面周方向に回転する回転磁場を印加し、この回転磁場により前記ドロップレット混合プラズマを回転させながら進行させ、前記ドロップレットを遠心力により除去することを特徴とするプラズマ生成装置におけるドロップレット除去方法。

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