JP2007046144A - Plasma surface treatment method, plasma treatment apparatus, and workpiece - Google Patents

Plasma surface treatment method, plasma treatment apparatus, and workpiece Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a plasma surface treatment method which forms a single film, a composite film, and a laminated film highly purely and smoothly without being adversely affected by droplets by using a vacuum arc plasma at least in part, to provide a plasma treatment apparatus, and to provide a workpiece treated by using the same. <P>SOLUTION: Two types of plasmas, a first plasma 16 and a second plasma 17, are used. The respective plasmas 16 and 17 are vacuum arc plasmas generated by performing vacuum arc discharge in arc discharge parts set in a vacuum atmosphere in a first plasma generation part 2 and a second plasma generation part 3 and are led to a common transport duct 10 through first and second plasma guide paths 22 and 23. While the timing of leading the first and second plasmas 16 and 17 to the common transport duct 10 is controlled, the surface of each workpiece W inside a plasma treatment part 1 is subjected to surface treatment such as the formation of a laminated film. The angles at which the plasma guide paths 22 and 23 feed their respective plasmas 16 and 17 are set to be acute with respect to the transport direction of the common transport duct 10. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

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(陰極アーク放電)を行って発生させたプラズマを少なくとも処理用プラズマとして使用するプラズマ表面処理方法、プラズマ処理装置及びそのプラズマ処理装置を用いて表面処理加工された目的物に関する。   The present invention relates to a plasma surface treatment method, a plasma treatment apparatus, and a plasma treatment using the plasma generated by performing vacuum arc discharge (cathode arc discharge) in an arc discharge section set in a vacuum atmosphere at least as plasma for treatment. The present invention relates to an object subjected to surface treatment using an apparatus.

一般に、表面処理とは、固体表面の美観、性能、耐久度を改善するための手法である。表面処理の中でも、表面コーティングは、製品の美観/装飾性(色、光沢)の向上・付与、耐食性の向上・付与、耐摩耗性の向上・付与、耐疲労性の向上・付与、光学特性の向上・付与(反射防止膜、反射膜、光学フィルタ膜など)、導電性の制御(絶縁性膜、半導体性膜、導電性膜、透明導電膜)、熱伝導性の制御(熱伝導性膜、熱絶縁性膜)、磁性の付与、触媒性の付与、摺動性の付与、などとして有用なものである。一般に、表面コーティングは,湿式法と乾式法とに分類される。表面コーティングとして有用な、金属(Siを含む)と非金属との結合体の金属間化合物(窒化物、酸化物、炭化物、硫化物、ケイ化物、ホウ化物,水素化物、など)は、人工的に形成されるものがほとんどで、ファインセラミックとか、ニューセラミックなどと呼ばれている。これらのセラミック薄膜は、乾式法や真空蒸着などのような反応性の低い乾式法では形成が困難であり、もっぱら、高い反応性が利用可能なプラズマを用いて形成される。例えば、工具の分野では、工具の長寿命化のため、工具基材の表面に各種のセラミック薄膜コーティングが施されている。主な例としては、窒化チタン(TiN),窒化クロム(CrN),炭化チタン(TiC)膜などである。また、TiNは金色を呈するため、腕時計のハウジング・バンド、ブレスレット、眼鏡フレームなどのような装飾品、包丁、ナイフ、はさみなどの台所用品や文房具など、金に変わる素材として利用されつつある。   In general, surface treatment is a technique for improving the aesthetics, performance, and durability of a solid surface. Among surface treatments, surface coating improves the appearance / decoration (color and gloss) of products, improves / provides corrosion resistance, improves / provides wear resistance, improves / provides fatigue resistance, and improves optical properties. Improvement and provision (antireflection film, reflection film, optical filter film, etc.), conductivity control (insulating film, semiconductive film, conductive film, transparent conductive film), thermal conductivity control (thermal conductive film, It is useful as a thermal insulating film), imparting magnetism, imparting catalytic properties, imparting slidability, and the like. In general, surface coatings are classified into wet methods and dry methods. Intermetallic compounds (nitrides, oxides, carbides, sulfides, silicides, borides, hydrides, etc.) in combination of metals (including Si) and non-metals useful as surface coatings are artificial In most cases, it is called fine ceramic or new ceramic. These ceramic thin films are difficult to form by a dry method having a low reactivity such as a dry method or vacuum deposition, and are exclusively formed using plasma that can utilize a high reactivity. For example, in the field of tools, various ceramic thin film coatings are applied to the surface of a tool base material in order to extend the life of the tool. Main examples are titanium nitride (TiN), chromium nitride (CrN), titanium carbide (TiC) films, and the like. In addition, since TiN has a gold color, it is being used as a material that can be used in place of gold, such as ornaments such as wristwatch housing bands, bracelets, and spectacle frames, kitchen utensils such as knives, knives, and scissors, and stationery.

TiN膜は鋼や超硬合金との密着性が良く、加工相手材と焼付きにくいなどの特性を呈しているが、若干耐酸化性に劣る。そのため、TiNにアルミニウムを混ぜたTiAl((Ti, Al)Nと記述される場合もある)が利用される場合もある。尚、上記のTiAlNや他の金属間化合物の組成比(X、Y、Z、・・・)は、特に明記しない限り省略する。前記TiAlNは、硬度や摩擦係数はTiNと同程度であるが、高温酸化特性ははるかに優れており、大気中での無変質耐熱温度は800℃くらいであるという特徴を呈する。TiAlN膜は、重加工用切削工具や各種金型(プレス金型、プラスチック成形用金型、ダイカスト用金型、ガラスレンズ成形用金型など)への適用が進んできている。又、TiNにクロムを混ぜたTiCrN((Ti, Cr)Nと記述される場合もある)も、硬さや摩接係数はTiNと同程度であるが、高温酸化特性ははるかに優れている。高温酸化特性はTiAlNより若干劣るが、耐食性に優れており、プラスチック成形用金型やダイカスト用金型に使用される場合も多い。また、CrAlNやCrVNも高耐酸化性、高硬度材料としてドライ加工用工具(高硬度材)の皮膜として利用される。このように2種類の異種金属と非金属との金属間化合物セラミックの需要も高い。更にまた、より機能性を高めるため、3種以上の異種金属と非金属との金属間化合物セラミックの開発も行なわれつつある。 The TiN film has good adhesion to steel and cemented carbide and exhibits characteristics such as being hard to seize with the workpiece material, but is slightly inferior in oxidation resistance. Therefore, Ti X Al Y N Z (which may be described as (Ti, Al) N) in which aluminum is mixed with TiN may be used. The composition ratios (X, Y, Z,...) Of TiAlN and other intermetallic compounds are omitted unless otherwise specified. The TiAlN has the same hardness and friction coefficient as TiN, but has much higher high-temperature oxidation characteristics, and has the characteristic that the unchanged heat-resistant temperature in the atmosphere is about 800 ° C. TiAlN films have been applied to heavy cutting tools and various dies (press dies, plastic molding dies, die casting dies, glass lens molding dies, etc.). Also, TiCrN in which chromium is mixed with TiN (may be described as (Ti, Cr) N) has the same hardness and wear coefficient as TiN, but has much better high-temperature oxidation characteristics. High-temperature oxidation characteristics are slightly inferior to TiAlN, but they are excellent in corrosion resistance and are often used for plastic molding dies and die casting dies. CrAlN and CrVN are also used as a film of a tool for dry processing (high hardness material) as a high oxidation resistance and high hardness material. Thus, the demand for intermetallic compound ceramics of two kinds of different metals and nonmetals is also high. Furthermore, in order to further improve the functionality, development of intermetallic compound ceramics of three or more kinds of different metals and nonmetals is being carried out.

ところで、金属イオンや非金属固体イオン(主に、炭素C)を含むプラズマを発生する方法として、真空アーク(あるいは陰極アークとも呼ばれる)放電法がある。この真空アーク放電法には、陰極物質を蒸発させる陰極アーク放電法と陽極物質を蒸発させる陽極アーク放電法があるが、一般に陽極物質を蒸発させることは困難であり、本願明細書に記載される真空アーク放電法とは特に断らない限り陰極アーク放電法を示している。同様に、真空アークと称した場合も断らない限り陰極アークを示している。上記真空アークプラズマは、アーク放電において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。一般に、陽極は不活性であり、蒸発しない。また、雰囲気ガスとして反応性ガス又は/及び不活性ガス(例えば、希ガス)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加工を行うことができる。   By the way, as a method of generating plasma containing metal ions and non-metal solid ions (mainly carbon C), there is a vacuum arc (or also called a cathode arc) discharge method. The vacuum arc discharge method includes a cathodic arc discharge method for evaporating the cathode material and an anodic arc discharge method for evaporating the anode material. However, it is generally difficult to evaporate the anode material and is described in this specification. Unless otherwise specified, the vacuum arc discharge method is a cathode arc discharge method. Similarly, the term “vacuum arc” indicates a cathode arc unless otherwise specified. The vacuum arc plasma is a plasma formed by an arc discharge generated between the cathode and the anode in the arc discharge, the cathode material evaporates from the cathode spot existing on the cathode surface, and is formed by this cathode evaporation substance. In general, the anode is inert and does not evaporate. In addition, when a reactive gas and / or an inert gas (for example, a rare gas) is introduced as the atmospheric gas, the reactive gas or / and the inert gas are also ionized at the same time. Using such plasma, surface treatment can be performed by forming a thin film on a solid surface or implanting ions.

しかしながら、真空アーク成膜装置においては、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)による表面処理上の固有の問題がある。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(0.01〜500μm)の大きさのドロップレットも放出される。しかし、表面処理における問題となるのは、前記ドロップレットの発生であり、ドロップレットが基材表面に付着すると、基材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。このために基材にドロップレットが付着しない方法が開発されなければならない。   However, the vacuum arc film forming apparatus has a problem inherent in surface treatment due to cathode material particles (hereinafter referred to as “droplets”) by-produced from the cathode when plasma is generated. In general, in vacuum arc discharge, vacuum arc plasma constituent particles such as cathode material ions, electrons, and cathode material neutral particles (atoms and molecules) are emitted from the cathode spot, and at the same time, sub-micron to several hundred microns (0.01). Droplets with a size of ˜500 μm are also emitted. However, the problem in the surface treatment is the generation of the droplets. If the droplets adhere to the substrate surface, the uniformity of the thin film formed on the substrate surface is lost, resulting in a defective product of the thin film. . For this reason, a method must be developed in which the droplets do not adhere to the substrate.

前記ドロップレットの問題を解決する一方法として、P.J.Martin, R.P.Netterfield and T.J.Kinder, Thin Solid Films 193/194 (1990)77(非特許文献1)に記載される磁気フィルタ法がある。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電磁石により湾曲磁界を形成し、この湾曲磁界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ようになっている。
P.J.Martin, R.P.Netterfield and T.J.Kinder, Thin Solid Films 193/194 (1990)77
One method for solving the droplet problem is a magnetic filter method described in PJ Martin, RPNetterfield and TJKinder, Thin Solid Films 193/194 (1990) 77 (Non-patent Document 1). In this magnetic filter method, vacuum arc plasma is transported to a processing section through a curved droplet collecting duct. According to this method, the generated droplets are attached and captured (collected) on the inner wall of the duct, and a plasma flow containing almost no droplets is obtained at the duct outlet. In addition, a curved magnetic field is formed by an electromagnet arranged along the duct, and the plasma flow is bent by the curved magnetic field, so that the plasma is efficiently moved to the plasma processing portion.
PJMartin, RPNetterfield and TJKinder, Thin Solid Films 193/194 (1990) 77

異種金属元素と非金属元素との金属間化合物であるTiAlN膜はほとんどの場合真空アーク蒸着法で形成されている。現状は、真空アーク蒸発源である陰極蒸発物材料(またはターゲットとも呼ぶ)に、溶解法あるいは粉末法で形成されたTiAl合金を用いている。しかしながら、この場合、TiとAlの混合比を変えた膜を合成するためには、その組成を持つ陰極材料をその都度準備する必要があり、材料そのものが高価であるため、製造コストがアップする問題を生じていた。また、真空アーク蒸着装置のプラズマ加工室(成膜チャンバ)の内壁に、アーク蒸発源であるTi陰極とAl陰極を近接配置して行うことができるが、Ti陰極とAl陰極から発生するプラズマが別々の位置から発生し、それらのプラズマによりワーク(被処理物、被加工物)を表面処理するため、ワークの位置を変えながら成膜を行なっても、TiN膜とAlN膜の交互積層膜が形成されてしまい、原子・分子レベル、ナノレベルで混合したTiAlN混合膜を形成することが困難であった。しかも、Ti陰極とAl陰極からのプラズマの直射配置により、ドロップレットの理想的な除去が困難であった。ドロップレットの除去のためには、前記の磁気フィルタ法を適用した磁気フィルタ型真空アーク源を用いることも可能であるが、この場合も、Ti用磁気フィルタ型真空アーク源とAl用磁気フィルタ型真空アーク蒸発源の2個を用いると、上記と同様に、ワーク上に形成される膜は積層膜になってしまうという問題があった。   In most cases, a TiAlN film, which is an intermetallic compound of a dissimilar metal element and a nonmetal element, is formed by a vacuum arc deposition method. At present, a TiAl alloy formed by a melting method or a powder method is used as a cathode evaporant material (also called a target) which is a vacuum arc evaporation source. However, in this case, in order to synthesize a film in which the mixing ratio of Ti and Al is changed, it is necessary to prepare a cathode material having the composition each time, and since the material itself is expensive, the manufacturing cost increases. There was a problem. In addition, a Ti cathode and an Al cathode, which are arc evaporation sources, can be arranged close to the inner wall of a plasma processing chamber (deposition chamber) of a vacuum arc vapor deposition apparatus, but plasma generated from the Ti cathode and the Al cathode is generated. Since the workpieces (workpieces, workpieces) are surface-treated with the plasma generated from different positions, even if film deposition is performed while changing the position of the workpieces, an alternating laminated film of TiN film and AlN film is formed. As a result, it was difficult to form a TiAlN mixed film mixed at the atomic / molecular level and nano level. Moreover, the ideal removal of the droplets was difficult due to the direct arrangement of plasma from the Ti cathode and the Al cathode. In order to remove droplets, it is possible to use a magnetic filter type vacuum arc source to which the magnetic filter method is applied. In this case, too, a Ti magnetic filter type vacuum arc source and an Al magnetic filter type are used. When two vacuum arc evaporation sources are used, there is a problem that the film formed on the workpiece becomes a laminated film as described above.

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、複数の物質からなる金属間化合物膜(合金膜、混合膜、セラミック膜)・多層膜、あるいは単一物質からなる金属膜を、ドロップレットの影響を受けることなく高純度に、適切に組成制御され、かつ円滑に形成することのできるプラズマ表面処理方法及びプラズマ処理装置を提供することを目的とする。また、例えば、所望の表面特性・機能を被処理物に付与する金属膜用、および/あるいは、2種以上の金属を含む金属間化合物用の真空アーク成膜装置を成膜チャンバに対してコンパクトに配設して、高純度の金属膜、および/あるいは、金属間化合物膜を、単一膜・混合膜・多層膜として円滑に形成できるプラズマ表面処理方法およびプラズマ処理装置を提供することを目的とする。更に、係るプラズマ処理装置を用いて表面処理された、例えば、金属膜、合金膜、セラミック膜(窒化物、酸化物、炭化物、硫化物、ケイ化物、ホウ化物,水素化物、など)を備えた目的物の提供を目的とする。この表面処理により、前記目的物には、製品の美観/装飾性(色、光沢)の向上・付与、耐食性の向上・付与、耐摩耗性の向上・付与、耐疲労性の向上・付与、光学特性の向上・付与(反射防止膜、反射(ミラー)膜、光学フィルタ膜など)、導電性の制御(絶縁性膜、半導体性膜、導電性膜、透明導電膜)、熱伝導性の制御(熱伝導性膜、熱絶縁性膜)、磁性の付与、触媒性の付与、摺動性の付与、などが行なわれる。   The present invention has been made in view of the above problems, and an intermetallic compound film (alloy film, mixed film, ceramic film) / multilayer film made of a plurality of substances, or a metal film made of a single substance, It is an object of the present invention to provide a plasma surface treatment method and a plasma treatment apparatus which can be smoothly formed without being affected by droplets, with a composition appropriately controlled in high purity. Further, for example, a vacuum arc film forming apparatus for a metal film that imparts desired surface characteristics and functions to an object to be processed and / or for an intermetallic compound containing two or more metals is compact with respect to a film forming chamber. It is an object of the present invention to provide a plasma surface treatment method and a plasma treatment apparatus capable of smoothly forming a high-purity metal film and / or an intermetallic compound film as a single film, a mixed film, or a multilayer film. And Further, for example, a metal film, an alloy film, or a ceramic film (nitride, oxide, carbide, sulfide, silicide, boride, hydride, etc.) that has been surface-treated using the plasma processing apparatus is provided. The purpose is to provide the object. By this surface treatment, the object is improved and imparted with aesthetic / decorative properties (color and gloss), improved and imparted corrosion resistance, improved and imparted wear resistance, improved and imparted fatigue resistance, optical Improve and impart properties (antireflection film, reflection (mirror) film, optical filter film, etc.), conductivity control (insulating film, semiconducting film, conductive film, transparent conductive film), thermal conductivity control ( Heat conductive film, heat insulating film), magnetism, catalytic property, slidability, etc. are performed.

本発明は、上記課題を解決するためにな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アーク放電部で真空アーク放電(陰極アーク放電)を行って第1プラズマを発生させ、固体・液体をプラズマ源として又は気体をプラズマ作動ガスとして第2プラズマを発生させ、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを共通輸送ダクトの輸送方向に対して鋭角に合流するように電磁気的に導入した後、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを前記共通輸送ダクトを経由してプラズマ処理部に電磁気的に誘導し、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを前記共通輸送ダクトに導入するタイミングを制御して、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマにより前記プラズマ処理部内の被処理物を表面処理加工するプラズマ表面処理方法である。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. The first aspect of the present invention is to perform vacuum arc discharge (cathode arc discharge) in an arc discharge section set in a vacuum atmosphere. 1 plasma is generated, a second plasma is generated using a solid / liquid as a plasma source or a gas as a plasma working gas, and the first plasma and the second plasma are merged at an acute angle with respect to the transport direction of the common transport duct. After the electromagnetic introduction, the first plasma and the second plasma are electromagnetically induced to the plasma processing unit through the common transport duct, and the first plasma and the second plasma are shared by the common transport. A plasma surface that controls the timing of introduction into the duct and surface-treats the workpiece in the plasma processing section by the first plasma and the second plasma. It is a management method.

本発明の第2の形態は、固体・液体をプラズマ源として又は気体をプラズマ作動ガスとしてプラズマを発生させるプラズマ発生部において第1プラズマ、第2プラズマ、及び第3プラズマを発生させ、かつ、これらの第1〜第3プラズマのうち少なくとも1つが真空雰囲気下に設定されたアーク放電部における真空アーク放電(陰極アーク放電)に基づいて発生させたものであり、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ及び前記第3プラズマを共通輸送ダクトの輸送方向に対して鋭角に合流するように電磁気的に導入した後、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ及び前記第3プラズマを前記共通輸送ダクトを経由してプラズマ処理部に電磁気的に誘導し、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ及び前記第3プラズマを前記共通輸送ダクトに導入するタイミングを制御して、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ及び前記第3プラズマにより前記プラズマ処理部内の被処理物を表面処理加工するプラズマ表面処理方法である。   In the second aspect of the present invention, the first plasma, the second plasma, and the third plasma are generated in a plasma generation unit that generates plasma using solid / liquid as a plasma source or gas as a plasma working gas, and these At least one of the first to third plasmas is generated based on vacuum arc discharge (cathode arc discharge) in an arc discharge section set in a vacuum atmosphere, and the first plasma and the second plasma And electromagnetically introducing the third plasma so as to merge at an acute angle with respect to the transport direction of the common transport duct, and then passing the first plasma, the second plasma, and the third plasma through the common transport duct. Electromagnetically inducting into the plasma processing unit, and supplying the first plasma, the second plasma, and the third plasma to the common transport duct By controlling the timing of entering the first plasma, a second plasma and the third plasma surface treatment method for surface treatment of the object to be treated in the by plasma plasma processing unit.

本発明の第3の形態は、固体・液体をプラズマ源として又は気体をプラズマ作動ガスとしてプラズマを発生させるプラズマ発生部において第1プラズマ、第2プラズマ、第3プラズマ、及び第4プラズマを発生させ、かつ、これらの第1〜第4プラズマのうち少なくとも1つが真空雰囲気下に設定されたアーク放電部(陰極アーク放電)における真空アーク放電に基づいて発生させたものであり、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを合流させる第1のプラズマ導入路を介して、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを共通輸送ダクトの輸送方向に対して鋭角に合流するように電磁気的に導入し、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマを合流させる第2のプラズマ導入路を介して、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマを前記共通輸送ダクトの輸送方向に対して鋭角に合流するように電磁気的に導入した後、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマを前記共通輸送ダクトを経由してプラズマ処理部に電磁気的に誘導し、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマを前記共通輸送ダクトに導入するタイミングを制御して、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマにより前記プラズマ処理部内の被処理物を表面処理加工するプラズマ表面処理方法である。   According to a third aspect of the present invention, a first plasma, a second plasma, a third plasma, and a fourth plasma are generated in a plasma generation unit that generates plasma using solid / liquid as a plasma source or gas as a plasma working gas. And at least one of these first to fourth plasmas is generated based on vacuum arc discharge in an arc discharge part (cathode arc discharge) set in a vacuum atmosphere, and the first plasma and The first plasma and the second plasma are introduced electromagnetically so as to merge at an acute angle with respect to the transport direction of the common transport duct via the first plasma introduction path for joining the second plasma, The third plasma and the fourth plasma are common to each other via a second plasma introduction path that joins the three plasmas and the fourth plasma. After electromagnetically introducing so as to merge at an acute angle with respect to the transport direction of the feed duct, the first plasma, the second plasma, the third plasma, and the fourth plasma are passed through the common transport duct. The first plasma, the second plasma, the second plasma, the second plasma, the third plasma, and the fourth plasma are introduced into the common transport duct by electromagnetic induction in the processing unit. In the plasma surface treatment method, the object to be processed in the plasma processing unit is surface-treated by plasma, the third plasma, and the fourth plasma.

本発明の第4の形態は、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(陰極アーク放電)を行って第1プラズマを発生させる第1プラズマ発生手段と、固体・液体をプラズマ源として又は気体をプラズマ作動ガスとして第2プラズマを発生させる第2プラズマ発生手段と、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを電磁気的に導入する共通輸送ダクトと、前記共通輸送ダクトを経由して電磁気的に導入された前記第1プラズマ及び前記第2プラズマにより被処理物を表面処理加工するプラズマ処理部と、前記第1プラズマ発生手段から前記第1プラズマを前記共通輸送ダクトへ電磁気的に導入する第1プラズマ導入路と、前記第2プラズマ発生手段から前記第2プラズマを前記共通輸送ダクトへ電磁気的に導入する第2プラズマ導入路と、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを前記共通輸送ダクトに導入するタイミングを制御する制御手段と、を有し、前記第1プラズマ導入路及び前記第2プラズマ導入路の、前記共通輸送ダクトの輸送方向に対する導入角度を鋭角に設定したプラズマ処理装置である。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a first plasma generating means for generating a first plasma by performing a vacuum arc discharge (cathode arc discharge) in an arc discharge section set in a vacuum atmosphere, and a solid / liquid as a plasma source. Or a second plasma generating means for generating a second plasma using a gas as a plasma working gas, a common transport duct for electromagnetically introducing the first plasma and the second plasma, and an electromagnetic via the common transport duct The first plasma is introduced into the common transport duct electromagnetically from the first plasma generating means and the plasma processing section for subjecting the workpiece to the surface treatment with the first plasma and the second plasma introduced to the surface. Second plasma for electromagnetically introducing the second plasma from the first plasma introduction path and the second plasma generating means into the common transport duct And a control means for controlling the timing of introducing the first plasma and the second plasma into the common transport duct, the common of the first plasma introduction path and the second plasma introduction path This is a plasma processing apparatus in which the introduction angle of the transport duct with respect to the transport direction is set to an acute angle.

本発明の第5の形態は、固体・液体をプラズマ源として又は気体をプラズマ作動ガスとしてプラズマを発生させる第1〜第3プラズマ発生手段において、それぞれ第1プラズマ、第2プラズマ、及び第3プラズマを発生させ、かつ、これらの第1〜第3プラズマ発生手段のうち、少なくとも第1プラズマ発生手段が真空雰囲気下に設定されたアーク放電部における真空アーク放電(陰極アーク放電)に基づくプラズマ発生手段からなる第1〜第3プラズマ発生手段と、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ、及び前記第3プラズマを電磁気的に導入する共通輸送ダクトと、前記共通輸送ダクトを経由して電磁気的に導入された前記第1プラズマ、前記第2プラズマ、及び前記第3プラズマにより被処理物を表面処理加工するプラズマ処理部と、前記第1プラズマ発生手段から前記第1プラズマを前記共通輸送ダクトへ電磁気的に導入する第1プラズマ導入路と、前記第2のプラズマ発生手段から前記第2プラズマを前記共通輸送ダクトへ電磁気的に導入する第2プラズマ導入路と、前記第3プラズマ発生手段から前記第3プラズマを前記共通輸送ダクトへ電磁気的に導入する第3プラズマ導入路と、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ及び前記第3プラズマを前記共通輸送ダクトに導入するタイミングを制御する制御手段と、を有し、前記第1プラズマ導入路、前記第2プラズマ導入路及び前記第3プラズマ導入路の、前記共通輸送ダクトの輸送方向に対する導入角度を鋭角に設定したプラズマ処理装置である。   According to a fifth aspect of the present invention, in the first to third plasma generating means for generating plasma using solid / liquid as a plasma source or gas as a plasma working gas, the first plasma, the second plasma, and the third plasma, respectively. And the plasma generating means based on the vacuum arc discharge (cathode arc discharge) in the arc discharge section in which at least the first plasma generating means is set in a vacuum atmosphere among the first to third plasma generating means. First to third plasma generating means, a common transport duct for electromagnetically introducing the first plasma, the second plasma, and the third plasma, and electromagnetically introduced via the common transport duct A plasma processing unit for surface-treating a workpiece by the first plasma, the second plasma, and the third plasma, A first plasma introducing path for electromagnetically introducing the first plasma from the first plasma generating means to the common transport duct; and an electromagnetically introducing the second plasma from the second plasma generating means to the common transport duct. A second plasma introduction path to be introduced; a third plasma introduction path for electromagnetically introducing the third plasma from the third plasma generating means to the common transport duct; the first plasma; the second plasma; Control means for controlling the timing of introducing three plasmas into the common transport duct, and transporting the common transport duct in the first plasma introduction path, the second plasma introduction path, and the third plasma introduction path This is a plasma processing apparatus in which the introduction angle with respect to the direction is set to an acute angle.

本発明の第6の形態は、固体・液体をプラズマ源として又は気体をプラズマ作動ガスとしてプラズマを発生させる第1〜第4プラズマ発生手段において、それぞれ第1プラズマ、第2プラズマ、第3プラズマ、及び第4プラズマを発生させ、かつ、これらの第1〜第4プラズマ発生手段のうち、少なくとも第1プラズマ発生手段が真空雰囲気下に設定されたアーク放電部における真空アーク放電に基づくプラズマ発生手段からなる第1〜第4プラズマ発生手段と、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを合流させる第1のプラズマ導入路と、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマを合流させる第2のプラズマ導入路と、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマを導入する共通輸送ダクトと、前記共通輸送ダクトを経由して導入された前記第1プラズマ、前記第2プラズマ、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマにより被処理物を表面処理加工するプラズマ処理部と、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマを前記共通輸送ダクトに導入するタイミングを制御する制御手段とを有し、前記第1のプラズマ導入路及び前記第2のプラズマ導入路の、前記共通輸送ダクトの輸送方向に対する導入角度を鋭角に設定したプラズマ処理装置である。   According to a sixth aspect of the present invention, in the first to fourth plasma generating means for generating plasma using solid / liquid as a plasma source or gas as a plasma working gas, the first plasma, the second plasma, the third plasma, And from the plasma generating means based on the vacuum arc discharge in the arc discharge section in which at least the first plasma generating means is set in a vacuum atmosphere among the first to fourth plasma generating means. First to fourth plasma generating means, a first plasma introduction path for merging the first plasma and the second plasma, and a second plasma introduction path for merging the third plasma and the fourth plasma. A common transport duct for introducing the first plasma, the second plasma, the third plasma, and the fourth plasma; A plasma processing unit for surface-treating an object to be processed by the first plasma, the second plasma, the third plasma, and the fourth plasma introduced via a transport duct; the first plasma; the second plasma; Control means for controlling timing for introducing plasma, the third plasma, and the fourth plasma into the common transport duct, and the common transport of the first plasma introduction path and the second plasma introduction path. This is a plasma processing apparatus in which the introduction angle with respect to the transport direction of the duct is set to an acute angle.

本発明の第7の形態は、前記第4の形態において、前記第1プラズマ導入路、前記第2プラズマ導入路及び前記共通輸送ダクトが平面上に投影したとき略Y字形をなすプラズマ処理装置である。   A seventh aspect of the present invention is the plasma processing apparatus according to the fourth aspect, wherein the first plasma introduction path, the second plasma introduction path, and the common transport duct are substantially Y-shaped when projected onto a plane. is there.

本発明の第8の形態は、前記の第4〜第7のいずれかの形態において、前記制御手段は前記各プラズマ導入路から前記共通輸送ダクトへのプラズマの導入を同時に、あるいは時間的に別々に、又は部分的に同時に行うタイミングで制御するプラズマ処理装置である。   According to an eighth aspect of the present invention, in any of the fourth to seventh aspects, the control means simultaneously introduces plasma from the respective plasma introduction paths into the common transport duct or separately in time. Or a plasma processing apparatus that is controlled at a timing that is partially performed at the same time.

本発明の第9の形態は、前記の第4〜第8のいずれかの形態において、前記第1プラズマに含有される前記アーク放電部の陰極から発生する陰極材料粒子(以後、ドロップレットという)が前記第1プラズマの進行方向に進行することを阻止する阻止部材を前記第1プラズマ導入路及び/又は前記共通輸送ダクトの内面又はその内面の近傍に設けたプラズマ処理装置である。   According to a ninth aspect of the present invention, in any of the fourth to eighth aspects, cathode material particles (hereinafter referred to as droplets) generated from the cathode of the arc discharge portion contained in the first plasma. Is a plasma processing apparatus in which a blocking member that prevents the first plasma from traveling in the traveling direction of the first plasma is provided on or near the inner surface of the first plasma introduction path and / or the common transport duct.

本発明の第10の形態は、前記の第4〜第9のいずれかの形態において、前記各プラズマ導入路から前記共通輸送ダクトに導入されたプラズマを混合するための回転磁界を発生する回転磁界発生手段を前記共通輸送ダクトに設けたプラズマ処理装置である。   According to a tenth aspect of the present invention, in any of the fourth to ninth aspects, a rotating magnetic field that generates a rotating magnetic field for mixing the plasma introduced from the plasma introduction paths into the common transport duct is provided. In the plasma processing apparatus, the generating means is provided in the common transport duct.

本発明の第11の形態は、前記の第4〜第10のいずれかの形態において、固体から直接プラズマを得るプラズマ発生方法により前記第2プラズマを発生させるプラズマ処理装置である。   An eleventh aspect of the present invention is the plasma processing apparatus according to any one of the fourth to tenth aspects, wherein the second plasma is generated by a plasma generation method for obtaining plasma directly from a solid.

本発明の第12の形態は、前記の第4〜第10のいずれかの形態において、固体を蒸発させてプラズマを得るプラズマ発生方法により前記第2プラズマを発生させるプラズマ処理装置である。   A twelfth aspect of the present invention is the plasma processing apparatus according to any one of the fourth to tenth aspects, wherein the second plasma is generated by a plasma generation method for obtaining a plasma by evaporating a solid.

本発明の第13の形態は、前記の第4〜第10のいずれかの形態において、気体、又は気化あるいはミスト化した液体によりプラズマを得るプラズマ発生方法により前記第2プラズマを発生させるプラズマ処理装置である。   According to a thirteenth aspect of the present invention, in any one of the fourth to tenth aspects, a plasma processing apparatus that generates the second plasma by a plasma generation method that obtains plasma by gas or vaporized or misted liquid. It is.

本発明の第14の形態は、前記の第4〜第13のいずれかの形態において、少なくとも1つのプラズマ発生手段及び/又は前記共通輸送ダクトの一部又は全体又は部分部分に、同一若しくは異なる波形及び又は値のバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段を有するプラズマ処理装置である。   In a fourteenth aspect of the present invention, in any of the fourth to thirteenth aspects, at least one plasma generating means and / or a part or all or part of the common transport duct has the same or different waveform. And / or a plasma processing apparatus having bias voltage applying means for applying a bias voltage of a value.

本発明の第15の形態は、前記の第4〜第14のいずれかの形態において、少なくとも1つのプラズマ発生手段の陽極を電気的にバイアスするバイアス手段を有するプラズマ処理装置である。   A fifteenth aspect of the present invention is a plasma processing apparatus according to any one of the fourth to fourteenth aspects, further comprising bias means for electrically biasing an anode of at least one plasma generation means.

本発明の第16の形態は、前記の第4〜第15のいずれかの形態において、前記共通輸送ダクトの最終部のプラズマ進行方向をz軸方向、垂直な平面をxy平面とし、前記共通輸送ダクトに、プラズマをx方向及び/又はy方向に走査する偏向コイルを配設したプラズマ処理装置である。   According to a sixteenth aspect of the present invention, in any one of the fourth to fifteenth aspects, a plasma traveling direction of a final part of the common transport duct is a z-axis direction, and a vertical plane is an xy plane, and the common transport is performed. This is a plasma processing apparatus in which a deflection coil for scanning plasma in the x direction and / or the y direction is disposed in a duct.

本発明の第17の形態は、前記の第4〜第16のいずれかの形態に係る請求項4〜16のいずれかに記載のプラズマ処理装置により発生されたプラズマを用いて前記プラズマ処理部内で表面処理加工された目的物である。   According to a seventeenth aspect of the present invention, in the plasma processing unit, the plasma generated by the plasma processing apparatus according to any one of the fourth to sixteenth aspects according to any one of the fourth to sixteenth aspects is used. It is an object that has been surface treated.

本発明の第1の形態によれば、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを前記共通輸送ダクトの輸送方向に対して鋭角に合流するように導入し、また前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを前記共通輸送ダクトに導入するタイミングを制御して、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマにより前記プラズマ処理部内の被処理物に対し表面処理加工を行う。プラズマ源が2個あるため、プラズマ源が1個の場合より、単一金属膜あるいは1種類の金属を含んだ金属間化合物膜の高速成膜を円滑に行なうことができる。また、第1プラズマと第2プラズマとが異なる物質を蒸発させる場合、それぞれの蒸発速度を制御することにより、希望どおりに組成を制御した混合膜(合金、金属間化合物膜)の成膜を円滑に行なうことができる。更に又、それぞれのプラズマがダクトに導入されるタイミングを制御できるので、金属や,合金,金属間化合物の積層膜としての多層膜や超多層膜の成膜を円滑に行うことができる。ここで、多層膜とは数百nm〜数μmの層が積層されたもので、超多層膜とは数十nm〜数百nmの層が積層されたものを言う。ドロップレットを除去した第1プラズマと第2プラズマとをタイミングを制御して同一方向から成膜チャンバに導入するので、原子・分子レベル/ナノレベルの制御が提供され、従来の真空アーク蒸着装置(アークイオンプレーティング装置)では困難であった1nm以下〜数十nmの層が積層された超々多層膜の形成も可能となる。
また、前記共通輸送ダクトにより前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを前記プラズマ処理部に導入するため、記第1プラズマ及び前記第2プラズマによる各成膜機能を備えたプラズマ処理装置のコンパクト化を実現することができる。
更に、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを前記共通輸送ダクトの輸送方向に対して鋭角に合流させるので、前記アーク放電部において発生するドロップレットが直進して前記共通輸送ダクトの合流口内壁付近に衝突する。したがって、前記ドロップレットが前記共通輸送ダクトを通過して前記プラズマ処理部内に進入することを防止できるため、ドロップレット除去効率を向上させ、より高純度な成膜処理を行うことができる。ドロップレット除去だけでいえば、プラズマ流を直角以上に交差させて合流させることも考えられるが、プラズマの輸送効率が低下してしまう。一方、本形態においては、前記共通輸送ダクトの輸送方向に対して鋭角に合流させるので、輸送効率を低下させることなく、ドロップレットを除去したプラズマを用いて高純度な成膜処理を行うことができる。
According to the first aspect of the present invention, the first plasma and the second plasma are introduced so as to merge at an acute angle with respect to the transport direction of the common transport duct, and the first plasma and the second plasma are introduced. Is controlled to the surface of the workpiece in the plasma processing section by the first plasma and the second plasma. Since there are two plasma sources, it is possible to smoothly form a single metal film or an intermetallic compound film containing one kind of metal more smoothly than when only one plasma source is used. Also, when vaporizing different substances in the first plasma and the second plasma, by controlling the respective evaporation rates, it is possible to smoothly form a mixed film (alloy, intermetallic compound film) whose composition is controlled as desired. Can be done. Furthermore, since the timing at which each plasma is introduced into the duct can be controlled, it is possible to smoothly form a multilayer film or a super multilayer film as a laminated film of metal, alloy, or intermetallic compound. Here, the multilayer film is a film in which layers of several hundred nm to several μm are stacked, and the super multilayer film is a film in which layers of several tens of nm to several hundred nm are stacked. Since the first plasma and the second plasma from which droplets have been removed are introduced into the deposition chamber from the same direction while controlling the timing, atomic / molecular level / nano level control is provided, and a conventional vacuum arc deposition apparatus ( It is also possible to form an ultra-multilayer film in which layers of 1 nm or less to several tens of nm, which was difficult with an arc ion plating apparatus), are laminated.
In addition, since the first plasma and the second plasma are introduced into the plasma processing section by the common transport duct, the plasma processing apparatus having film forming functions using the first plasma and the second plasma can be made compact. Can be realized.
Further, since the first plasma and the second plasma are merged at an acute angle with respect to the transport direction of the common transport duct, the droplet generated in the arc discharge portion goes straight and near the confluence inlet inner wall of the common transport duct Collide with. Therefore, it is possible to prevent the droplets from passing through the common transport duct and enter the plasma processing unit, thereby improving the droplet removal efficiency and performing a higher-purity film forming process. Speaking only of droplet removal, it is conceivable that the plasma flows intersect at a right angle or more and merge, but the plasma transport efficiency is lowered. On the other hand, in this embodiment, since the merge is made at an acute angle with respect to the transport direction of the common transport duct, it is possible to perform a high-purity film formation process using plasma from which droplets have been removed without reducing transport efficiency. it can.

本発明の第2の形態によれば、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ及び第3プラズマを前記共通輸送ダクトの輸送方向に対して鋭角に合流するように導入し、また前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを前記共通輸送ダクトに導入するタイミングを制御して、前記第1プラズマ、第2プラズマ及び前記第3プラズマにより前記プラズマ処理部内の被処理物に対し表面処理加工を行うことができる。プラズマ源が3個あるため、少なくとも2つのプラズマ源により、単一金属膜あるいは1種類の金属を含んだ金属間化合物膜の高速成膜を円滑に行なうことができる。また、前記プラズマ発生部において、2種類又は3種類の物質を蒸発させ、少なくとも1つのプラズマが他のプラズマと異なる蒸発物質から形成される第1〜第3プラズマを生成した場合、それぞれの蒸発速度を制御することにより、所望の組成を有する混合膜(合金、金属間化合物膜)を円滑に成膜することができる。更に、それぞれのプラズマがダクトに導入されるタイミングを制御できるので、前述の積層膜(多層膜,超多層膜,超々多層膜)の成膜を円滑に行うことができる。ドロップレットが除去された第1プラズマ、第2プラズマ及び第3プラズマのタイミングを制御して同一方向から成膜チャンバに導入するので、前記多層膜の成膜を原子・分子レベル/ナノレベルで制御することができ、従来の真空アーク蒸着装置(アークイオンプレーティング装置)では困難であった超々多層膜の形成も可能となる。
更に、前記第1プラズマを前記共通輸送ダクトの輸送方向に対して鋭角に合流させるので、前記アーク放電部において発生するドロップレットが直進して前記共通輸送ダクトの合流口内壁付近に衝突する。したがって、前記ドロップレットが前記共通輸送ダクトを通過して前記プラズマ処理部内に進入することを防止できるため、ドロップレット除去効率を向上させ、より高純度な成膜処理を行うことができる。
According to a second aspect of the present invention, the first plasma, the second plasma, and the third plasma are introduced so as to merge at an acute angle with respect to a transport direction of the common transport duct, and the first plasma and By controlling the timing at which the second plasma is introduced into the common transport duct, a surface treatment process can be performed on the workpiece in the plasma processing unit by the first plasma, the second plasma, and the third plasma. . Since there are three plasma sources, high-speed film formation of a single metal film or an intermetallic compound film containing one kind of metal can be smoothly performed by using at least two plasma sources. Further, in the plasma generation unit, when two or three kinds of substances are evaporated, and at least one plasma generates first to third plasmas formed of an evaporation substance different from other plasmas, the respective evaporation rates are generated. By controlling the above, it is possible to smoothly form a mixed film (alloy, intermetallic compound film) having a desired composition. Furthermore, since the timing at which each plasma is introduced into the duct can be controlled, the above-described laminated film (multilayer film, supermultilayer film, ultrasupermultilayer film) can be formed smoothly. The timing of the first plasma, the second plasma, and the third plasma from which the droplets have been removed is controlled and introduced into the deposition chamber from the same direction, so that the deposition of the multilayer film is controlled at the atomic / molecular level / nano level. In addition, it is possible to form an ultra-multilayer film, which is difficult with a conventional vacuum arc deposition apparatus (arc ion plating apparatus).
Furthermore, since the first plasma is merged at an acute angle with respect to the transport direction of the common transport duct, the droplet generated in the arc discharge section goes straight and collides with the vicinity of the inner wall of the common transport duct. Therefore, it is possible to prevent the droplets from passing through the common transport duct and enter the plasma processing unit, thereby improving the droplet removal efficiency and performing a higher-purity film forming process.

本発明の第3の形態によれば、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを合流させる第1のプラズマ導入路を介して、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを共通輸送ダクトの輸送方向に対して鋭角に合流するように導入し、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマを合流させる第2のプラズマ導入路を介して、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマを前記共通輸送ダクトの輸送方向に対して鋭角に合流するように導入し、また前記第1プラズマ、前記第2プラズマ、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマを前記共通輸送ダクトに導入するタイミングを制御して、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマにより前記プラズマ処理部内の被処理物に対し表面処理加工を行う。プラズマ源が4個あるため、プラズマ源が1個の場合より、単一金属膜あるいは1種類の金属を含んだ金属間化合物膜のより高速成膜を円滑に行なうことができる。また、それぞれのプラズマ源で異なる物質を蒸発させる場合、それぞれの蒸発速度を制御することにより、希望どおりに組成を制御した混合膜(合金、金属間化合物膜)の成膜を円滑に行なうことができる。更に又、それぞれのプラズマがダクトに導入されるタイミングを制御できるので、金属や,合金,金属間化合物の多層膜・超多層膜・超々多層膜の成膜を円滑に行うことができる。
また、前記共通輸送ダクトにより前記第1プラズマ、前記第2プラズマ、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマを前記プラズマ処理部に導入するため、これらのプラズマによる各成膜機能を備えたプラズマ処理装置のコンパクト化を実現することができる。
更に、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを、あるいは前記第3プラズマ及び前記第4プラズマを前記共通輸送ダクトの輸送方向に対して鋭角に合流させるので、いずれかのプラズマ発生に伴って生ずるドロップレットが直進して前記共通輸送ダクトの合流口内壁付近に衝突する。したがって、かかるドロップレットが前記共通輸送ダクトを通過して前記プラズマ処理部内に進入することを防止できるため、ドロップレット除去効率を向上させ、より高純度な成膜処理を行うことができる。また、本形態においても、前記第1の形態と同様に、各プラズマ流を前記共通輸送ダクトの輸送方向に対して鋭角に合流させるので、輸送効率を低下させることなく、ドロップレットを除去したプラズマを用いて高純度な成膜処理を行うことができる。
According to the third aspect of the present invention, the first plasma and the second plasma are moved in the transport direction of the common transport duct via the first plasma introduction path that joins the first plasma and the second plasma. The third plasma and the fourth plasma are introduced in such a manner as to join at an acute angle, and the third plasma and the fourth plasma are transported in the transport direction of the common transport duct via the second plasma introduction path that joins the third plasma and the fourth plasma. The first plasma, the second plasma, the third plasma, and the fourth plasma are introduced into the common transport duct by controlling the timing of introducing the first plasma, the second plasma, the third plasma, and the fourth plasma into the common transport duct. Surface treatment processing is performed on an object to be processed in the plasma processing unit by the second plasma, the third plasma, and the fourth plasma. Since there are four plasma sources, it is possible to smoothly form a single metal film or an intermetallic compound film containing one kind of metal more smoothly than when only one plasma source is used. In addition, when different materials are evaporated in each plasma source, by controlling the respective evaporation rates, it is possible to smoothly form a mixed film (alloy, intermetallic compound film) whose composition is controlled as desired. it can. Furthermore, since the timing at which each plasma is introduced into the duct can be controlled, it is possible to smoothly form a multilayer film, super multilayer film, or ultra super multilayer film of a metal, an alloy, or an intermetallic compound.
In addition, since the first plasma, the second plasma, the third plasma, and the fourth plasma are introduced into the plasma processing unit by the common transport duct, a plasma processing apparatus having a film forming function using these plasmas. Can be made compact.
Further, since the first plasma and the second plasma, or the third plasma and the fourth plasma are merged at an acute angle with respect to the transport direction of the common transport duct, a drop generated when any one of the plasmas is generated. The let goes straight and collides with the vicinity of the inner wall of the junction of the common transport duct. Accordingly, it is possible to prevent the droplets from passing through the common transport duct and enter the plasma processing unit, thereby improving the droplet removal efficiency and performing a higher purity film forming process. Also in the present embodiment, as in the first embodiment, the plasma flows are merged at an acute angle with respect to the transport direction of the common transport duct, so that the plasma from which the droplets have been removed is obtained without reducing transport efficiency. Can be used to perform high-purity film formation.

本発明の第4の形態に係るプラズマ処理装置によれば、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマの複数のプラズマ発生源に対して、前記第1プラズマ導入路及び前記第2プラズマ導入路の、前記共通輸送ダクトの輸送方向に対する導入角度を鋭角に設定し、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを、前記共通輸送ダクトを経由して前記プラズマ処理部に導入し、かつその導入タイミングを制御可能にした構造であるため、成膜チャンバなどの前記プラズマ処理部周辺におけるスペースを制約することなく、複数のプラズマ発生源をコンパクトに配設してプラズマ処理装置の構造を簡素化することができる。また、前記アーク放電部において発生するドロップレットが直進して前記共通輸送ダクトの合流口内壁付近に衝突する。したがって、前記ドロップレットが前記共通輸送ダクトを通過して前記プラズマ処理部内に進入することを防止してドロップレット除去効率を向上させた、真空アークプラズマからなる前記第1プラズマを、前記共通輸送ダクトを経由して導入することにより、高純度の単一膜の高速形成、高純度の混合膜・化合物膜、又は積層膜(多層膜・超多層膜・超々多層膜)の形成を円滑に行うことができる。   According to the plasma processing apparatus of the fourth aspect of the present invention, the plurality of plasma generation sources of the first plasma and the second plasma, the first plasma introduction path and the second plasma introduction path, The introduction angle of the common transport duct with respect to the transport direction is set to an acute angle, the first plasma and the second plasma are introduced into the plasma processing unit via the common transport duct, and the introduction timing can be controlled. With this structure, the structure of the plasma processing apparatus can be simplified by arranging a plurality of plasma generation sources in a compact manner without restricting the space around the plasma processing unit such as a film forming chamber. Moreover, the droplet generated in the arc discharge part goes straight and collides with the vicinity of the inner wall of the common transport duct. Accordingly, the first plasma made of vacuum arc plasma, which improves the droplet removal efficiency by preventing the droplets from passing through the common transport duct and entering the plasma processing unit, is used as the common transport duct. Introducing via, smooth formation of high-purity single film, formation of high-purity mixed film / compound film, or laminated film (multilayer film / super multi-layer film / super-multi-layer film) Can do.

本発明の第5の形態に係るプラズマ処理装置によれば、第1、第2及び第3プラズマ発生手段を具備するから、2つ又は3つのプラズマ発生手段により、単一金属膜又は1種類の金属を含んだ金属間化合物膜の高速成膜を円滑に行なうことができる。更に、第1〜第3プラズマ発生手段に2種類又は3種類のプラズマ源を夫々配設又は供給し、異なる物質から形成される第1〜第3プラズマを生成することができる。従って、それぞれの生成速度を制御することにより、所望の組成を有する合金膜又は金属間化合物膜などの混合膜を円滑に成膜することができる。更に、それぞれのプラズマを前記共通輸送ダクトに導入するタイミングを制御できるから、前述の積層膜(多層膜、超多層膜、超々多層膜)の成膜を円滑に行うことができる。また、前記第1プラズマを前記共通輸送ダクトの輸送方向に対して鋭角に合流させるから、前記アーク放電部において発生するドロップレットを直進させて前記共通輸送ダクトの合流口内壁付近に衝突させることができる。従って、前記ドロップレットが前記プラズマ処理部内に進入することを防止できるため、より高純度な成膜処理を行うことができる。更に、ドロップレットが除去された第1プラズマと、第2プラズマ及び第3プラズマのタイミングを制御し、これらのプラズマが前記共通輸送ダクトを介して同一方向から成膜チャンバに導入されるから、前記積層膜の成膜を原子・分子レベル/ナノレベルで制御することができる。従って、従来の真空アーク蒸着装置(アークイオンプレーティング装置)では困難であった超々多層膜の形成も可能となる。   According to the plasma processing apparatus of the fifth aspect of the present invention, since the first, second and third plasma generating means are provided, a single metal film or one kind of material can be obtained by two or three plasma generating means. High-speed film formation of an intermetallic compound film containing a metal can be performed smoothly. Furthermore, two or three types of plasma sources can be provided or supplied to the first to third plasma generating means, respectively, to generate the first to third plasmas formed from different substances. Therefore, a mixed film such as an alloy film or an intermetallic compound film having a desired composition can be smoothly formed by controlling the respective generation rates. Furthermore, since the timing of introducing each plasma into the common transport duct can be controlled, the above-described laminated film (multilayer film, super multilayer film, ultra super multilayer film) can be formed smoothly. In addition, since the first plasma is merged at an acute angle with respect to the transport direction of the common transport duct, droplets generated in the arc discharge portion are caused to travel straight and collide with the vicinity of the inner wall of the common transport duct. it can. Accordingly, since the droplets can be prevented from entering the plasma processing unit, it is possible to perform a film formation process with higher purity. Further, the timing of the first plasma, the second plasma, and the third plasma from which droplets have been removed is controlled, and these plasmas are introduced into the deposition chamber from the same direction through the common transport duct. The film formation of the laminated film can be controlled at the atomic / molecular level / nano level. Accordingly, it is possible to form an ultra-multilayer film, which has been difficult with a conventional vacuum arc deposition apparatus (arc ion plating apparatus).

本発明の第6の形態に係るプラズマ処理装置によれば、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマのプラズマ発生源あるいは、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマのプラズマ発生源に対して、前記第1のプラズマ導入路と、前記第2のプラズマ導入路の、前記共通輸送ダクトの輸送方向に対する導入角度を鋭角に設定し、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマを、前記共通輸送ダクトを経由して前記プラズマ処理部に導入し、かつその導入タイミングを制御可能にした構造であるため、成膜チャンバなどの前記プラズマ処理部周辺におけるスペースを制約することなく、上記複数のプラズマ発生源をコンパクトに配設してプラズマ処理装置の構造を簡素化することができる。また、いずれかのプラズマ発生部において発生するドロップレットが直進して前記共通輸送ダクトの合流口内壁付近に衝突する。したがって、かかるドロップレットが前記共通輸送ダクトを通過して前記プラズマ処理部内に進入することを防止してドロップレット除去効率を向上させ、さらにドロップレットを除去した複数のプラズマ流を前記共通輸送ダクトを経由して導入することによって、単一膜のより高速な成膜、および、より複合的かつ高純度の混合膜・化合物膜、積層膜(多層膜・超多層膜・超々多層膜)の成膜を円滑に行うことができる。   According to the plasma processing apparatus of the sixth aspect of the present invention, the first plasma and the second plasma generation source, or the third plasma and the fourth plasma generation source, The introduction angles of the first plasma introduction path and the second plasma introduction path with respect to the transport direction of the common transport duct are set to acute angles, and the first plasma, the second plasma, the third plasma, and the fourth plasma are set. Since the plasma is introduced into the plasma processing unit via the common transport duct and the introduction timing can be controlled, the space around the plasma processing unit such as a film forming chamber is not limited. The structure of the plasma processing apparatus can be simplified by arranging the plurality of plasma generation sources in a compact manner. In addition, the droplet generated in any of the plasma generation units travels straight and collides with the vicinity of the inner wall of the junction port of the common transport duct. Therefore, the droplets are prevented from passing through the common transport duct and entering the plasma processing unit to improve the droplet removal efficiency, and a plurality of plasma flows from which the droplets have been removed are passed through the common transport duct. Introduced via a high-speed film formation of single film, and more complex and high-purity mixed film / compound film, laminated film (multilayer film / supermultilayer film / ultra-multilayer film) Can be performed smoothly.

本発明の第7の形態によれば、前記第4の形態において、前記第1プラズマ導入路、前記第2プラズマ導入路及び前記共通輸送ダクトが平面上に投影したとき略Y字形をなすので、前記第1プラズマ導入路及び前記第2プラズマ導入路の、前記共通輸送ダクトの輸送方向に対する導入角度を鋭角に設定した構造とすることができるため、複数のプラズマ発生源をコンパクトに配設され、簡素化された構造のプラズマ処理装置を実現することができる。なお、この形態には、前記第1プラズマ導入路及び前記第2プラズマ導入路を一平面上に略Y字形に配置した場合と、3次元的に配置して一平面上に投影したとき略Y字形になる場合を含む。   According to a seventh aspect of the present invention, in the fourth aspect, when the first plasma introduction path, the second plasma introduction path, and the common transport duct are projected on a plane, they form a substantially Y shape. Since the introduction angle of the first plasma introduction path and the second plasma introduction path with respect to the transport direction of the common transport duct can be set to an acute angle, a plurality of plasma generation sources are arranged in a compact manner, A plasma processing apparatus having a simplified structure can be realized. In this embodiment, the first plasma introduction path and the second plasma introduction path are arranged in a substantially Y shape on one plane, and when the three-dimensional arrangement is projected on one plane, the approximate Y is obtained. Including the case of a letter shape.

本発明の第8の形態によれば、前記の第4〜7のいずれかの形態において、前記ドロップレットを除去した前記第1プラズマ及び前記第2プラズマの前記共通輸送ダクトへの導入を同時に、あるいは時間的に別々に、又は部分的に同時に行うタイミングで制御する前記制御手段を有するから、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマの前記共通輸送ダクトへの導入のタイミングを成膜仕様・条件に応じて調整することができ、少なくとも真空アークプラズマによる蒸発物質を含む単一膜、混合膜、多層膜、または超多層膜、または超々多層膜の形成を円滑に行うことができる。   According to an eighth aspect of the present invention, in any one of the fourth to seventh aspects, the introduction of the first plasma and the second plasma from which the droplets have been removed into the common transport duct is simultaneously performed. Alternatively, since it has the control means for controlling at a timing that is performed separately or partially at the same time, the timing of introduction of the first plasma and the second plasma into the common transport duct is set as a film forming specification / condition. Accordingly, it is possible to smoothly form a single film, a mixed film, a multilayer film, a super multi-layer film, or a super-multi-layer film containing at least an evaporation material by vacuum arc plasma.

本発明の第9の形態によれば、前記の第4〜8のいずれかの形態において、前記第1プラズマの発生時に生ずる前記ドロップレットが前記第1プラズマの進行方向に進行することを阻止する阻止部材を前記第1プラズマ導入路及び/又は前記共通輸送ダクトの内面又はその内面の近傍に設けたので、前記共通輸送ダクト内のドロップレットを効率的に除去して、高純度のプラズマによる単一膜,混合膜、または積層膜(多層膜・超多層膜・超々多層膜)の形成を円滑に行うことができる。   According to a ninth aspect of the present invention, in any one of the fourth to eighth aspects, the droplet generated when the first plasma is generated is prevented from traveling in the traveling direction of the first plasma. Since the blocking member is provided on the first plasma introduction path and / or the inner surface of the common transport duct or in the vicinity of the inner surface, the droplets in the common transport duct are efficiently removed, and a single unit of high purity plasma is used. It is possible to smoothly form a single film, a mixed film, or a laminated film (multilayer film, supermultilayer film, and ultrasupermultilayer film).

本発明の第10の形態によれば、前記の第4〜9のいずれかの形態において、前記共通輸送ダクトに導入された前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを混合するための回転磁界を発生する回転磁界発生手段を前記共通輸送ダクトに設けたので、前記回転磁界発生手段により発生された回転磁界の回転作用により前記第1プラズマ及び前記第2プラズマのプラズマ流の回転を生じさせて、その回転により拡散されたプラズマ流を前記プラズマ処理部内に導入して、より均一膜生成が可能となり、高品質な成膜処理を行うことができる。   According to a tenth aspect of the present invention, in any one of the fourth to ninth aspects, a rotating magnetic field is generated for mixing the first plasma and the second plasma introduced into the common transport duct. The rotating magnetic field generating means is provided in the common transport duct, so that the rotation of the rotating magnetic field generated by the rotating magnetic field generating means causes the rotation of the plasma flow of the first plasma and the second plasma. A plasma flow diffused by rotation is introduced into the plasma processing unit, so that a more uniform film can be generated, and a high-quality film forming process can be performed.

本発明の第11の形態によれば、前記の第4〜10のいずれかの形態において、前記第2プラズマの発生を、固体から直接プラズマを得るプラズマ発生方法により行うので、例えば、真空アーク放電方法(陰極アーク放電法,または陽極アーク放電法)、シャンティングアーク方法、または各種スパッタ(例えば、セルフスパッタ、アンバランスドマグネトロンスパッタ、V字型スパッタ)を利用する方法を用いて前記第2プラズマを発生させて各種成膜仕様に応じた単一膜,混合膜、または積層膜(多層膜・超多層膜・超々多層膜)の成膜を行うことができる。   According to the eleventh aspect of the present invention, in any of the fourth to tenth aspects, the second plasma is generated by a plasma generation method for obtaining plasma directly from a solid. The second plasma using a method (cathode arc discharge method or anode arc discharge method), a shunting arc method, or various sputtering methods (for example, self-sputtering, unbalanced magnetron sputtering, V-shaped sputtering). Can be formed to form a single film, a mixed film, or a laminated film (multilayer film / supermultilayer film / ultra-multilayer film) according to various film formation specifications.

本発明の第12の形態によれば、前記の第4〜10のいずれかの形態において、前記第2プラズマの発生を、固体を蒸発させてプラズマを得るプラズマ発生方法により行うので、例えば、ホローカソードアーク、電子ビーム励起プラズマ、各種スパッタ(例えば、高周波スパッタ、中周波スパッタ、直流スパッタ、交流スパッタ、マグネトロンスパッタ)、抵抗蒸発又は電子ビーム蒸発の方法で蒸発させた蒸発物を、ホローカソードアーク、電子ビーム励起プラズマ、直流放電、低周波・中周波・高周波プラズマ(誘導結合型又は容量結合型)、パルスプラズマ、マイクロ波プラズマ、表面波プラズマ、又は電子シャワープラズマなどでプラズマ化する方法を用いて前記第2プラズマを発生させて各種成膜仕様に応じた単一膜,混合膜、または積層膜(多層膜・超多層膜・超々多層膜)の成膜を行うことができる。   According to the twelfth aspect of the present invention, in any one of the fourth to tenth aspects, the generation of the second plasma is performed by a plasma generation method for obtaining plasma by evaporating solids. Cathode arc, electron beam excited plasma, various types of sputtering (for example, high frequency sputtering, medium frequency sputtering, direct current sputtering, alternating current sputtering, magnetron sputtering), evaporate evaporated by resistance evaporation or electron beam evaporation, hollow cathode arc, Using a method of generating plasma with electron beam excitation plasma, direct current discharge, low frequency / medium frequency / high frequency plasma (inductive coupling type or capacitive coupling type), pulse plasma, microwave plasma, surface wave plasma, or electron shower plasma A single film, a mixed film, or a film according to various film formation specifications by generating the second plasma It is possible to perform the formation of the multilayer film (multilayer film, super multi-layer film, ultra-multi-layer film).

本発明の第13の形態によれば、前記の第4〜10のいずれかの形態において、前記第2プラズマの発生を、気体又は気化あるいはミスト化した液体によりプラズマを得るプラズマ発生方法により行うので、直流放電、低周波・中周波・高周波プラズマ、パルスプラズマ、マイクロ波プラズマ、表面波プラズマ又は電子シャワープラズマなどを利用する方法を用いて前記第2プラズマを発生させて各種成膜仕様に応じた単一膜,混合膜、または積層膜(多層膜・超多層膜・超々多層膜)の成膜を行うことができる。   According to a thirteenth aspect of the present invention, in any one of the fourth to tenth aspects, the second plasma is generated by a plasma generation method for obtaining plasma by gas or vaporized or misted liquid. The second plasma is generated using a method using DC discharge, low frequency / medium frequency / high frequency plasma, pulse plasma, microwave plasma, surface wave plasma, electron shower plasma, etc. according to various film forming specifications. A single film, a mixed film, or a laminated film (multilayer film / supermultilayer film / ultra-multilayer film) can be formed.

本発明の第14の形態によれば、前記の第4〜13のいずれかの形態において、バイアス電圧印加手段により、前記第1プラズマ発生手段、及び/又は前記第2プラズマ発生手段、及び/又は前記共通輸送ダクトの一部または全体に、好ましくはプラズマ電位と同電位又は略同電位のバイアス電圧を印加するので、前記第1プラズマ及び/又は前記第2プラズマのプラズマ発生部側へのプラズマ流の発生を抑制ないし排除して、発生プラズマの前記プラズマ処理部への輸送効率を高め、成膜速度の向上を図ることができる。また、輸送効率を好適にするために、前記第1プラズマ発生手段、及び/又は前記第2プラズマ発生手段、及び/又は前記共通輸送ダクトの一部または全体または部分部分に、異なる波形及び/又は値のバイアス電圧をそれぞれ印加しても良い。   According to a fourteenth aspect of the present invention, in any one of the fourth to thirteenth aspects, the first plasma generating unit and / or the second plasma generating unit, and / or the bias voltage applying unit. Since a bias voltage having the same potential or substantially the same potential as the plasma potential is preferably applied to a part or the whole of the common transport duct, the plasma flow to the plasma generation part side of the first plasma and / or the second plasma is performed. The generation efficiency can be suppressed or eliminated, the efficiency of transporting the generated plasma to the plasma processing section can be improved, and the film formation rate can be improved. In order to improve transport efficiency, the first plasma generation means and / or the second plasma generation means and / or a part or all or a part of the common transport duct may have different waveforms and / or A bias voltage of a value may be applied.

本発明の第15の形態によれば、前記の第4〜14のいずれかの形態において、前記第1プラズマ発生手段の陽極及び/又は前記第2プラズマ発生手段の陽極を電気的にバイアスするバイアス手段を有するので、この陽極バイアスにより見掛け上の陽極抵抗が大きくなり、発生プラズマの前記プラズマ処理部への輸送効率及び成膜速度の向上を図ることができる。   According to a fifteenth aspect of the present invention, in any one of the fourth to fourteenth aspects, the bias for electrically biasing the anode of the first plasma generating means and / or the anode of the second plasma generating means. Thus, the apparent anode resistance is increased by the anode bias, and the transport efficiency of the generated plasma to the plasma processing section and the film forming speed can be improved.

本発明の第16の形態によれば、前記の第4〜15のいずれかの形態において、高純度プラズマ流を前記偏向コイルによりxy方向に走査することによって、プラズマ流を被処理物表面全体に一様に照射することができ、高品質の被膜を被処理物に形成できる。   According to a sixteenth aspect of the present invention, in any one of the fourth to fifteenth aspects, the high purity plasma flow is scanned in the xy direction by the deflection coil, so that the plasma flow is spread over the entire surface of the workpiece. Irradiation can be performed uniformly, and a high-quality film can be formed on the workpiece.

本発明の第17の形態によれば、前記の第4〜16のいずれかの形態に係るプラズマ処理装置により発生された前記第1プラズマ及び前記第2プラズマの高純度プラズマを用いて前記プラズマ処理部内で表面処理加工され、例えばAlTiN、TiCrN、CrAlN,CrVN、TiSiN、CrSiNのような高性能混合膜を組成比制御して被膜した目的物を提供することができる。また、AlとTiの蒸発量を時間的に変化させることにより、組成が膜厚方向に変化したAlTiN膜を被膜した目的物を提供することができる。   According to a seventeenth aspect of the present invention, the plasma processing is performed using the high-purity plasma of the first plasma and the second plasma generated by the plasma processing apparatus according to any one of the fourth to sixteenth aspects. It is possible to provide an object that is surface-treated in the part and coated with a high-performance mixed film such as AlTiN, TiCrN, CrAlN, CrVN, TiSiN, and CrSiN under composition ratio control. Moreover, the target object which coat | covered the AlTiN film | membrane in which the composition changed to the film thickness direction can be provided by changing the evaporation amount of Al and Ti with time.

以下、本発明に係るプラズマ表面処理方法を適用したプラズマ処理装置の実施形態を、添付する図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明に係るプラズマ処理装置の断面構成図である。本発明に係るプラズマ処理装置は、被処理物(ワーク)を設置するプラズマ処理部と一体化されることによりプラズマ加工装置として組み立てられるものである。このプラズマ加工装置を用いるプラズマ表面処理方法においては、2種類の第1プラズマ16及び第2プラズマ17を使用する。各プラズマは、第1プラズマ発生部2、第2プラズマ発生部3において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発生させる真空アークプラズマである。第1プラズマ16は第1プラズマ発生部2に連結された第1プラズマ導入路22を介して共通輸送ダクト10に導入される。第2プラズマ17は第2プラズマ発生部3に連結された第2プラズマ導入路23を介して共通輸送ダクト10に導入される。
Embodiments of a plasma processing apparatus to which a plasma surface processing method according to the present invention is applied will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a sectional view of a plasma processing apparatus according to the present invention. The plasma processing apparatus according to the present invention is assembled as a plasma processing apparatus by being integrated with a plasma processing unit in which a workpiece (workpiece) is installed. In the plasma surface treatment method using this plasma processing apparatus, two types of first plasma 16 and second plasma 17 are used. Each plasma is vacuum arc plasma generated by performing a vacuum arc discharge in an arc discharge unit set in a vacuum atmosphere in the first plasma generation unit 2 and the second plasma generation unit 3. The first plasma 16 is introduced into the common transport duct 10 via the first plasma introduction path 22 connected to the first plasma generation unit 2. The second plasma 17 is introduced into the common transport duct 10 via the second plasma introduction path 23 connected to the second plasma generation unit 3.

第1プラズマ導入路22及び第2プラズマ導入路23のプラズマ導入角度は共通輸送ダクト10の輸送方向に対して鋭角に設定されている。第1プラズマ16及び第2プラズマ17はそれぞれ、第1プラズマ導入路22、第2プラズマ導入路23を介して共通輸送ダクト10に合流する。このとき、各プラズマ導入角度が共通輸送ダクト10の輸送方向に対して鋭角に設定されていることにより、各プラズマ発生に伴って生じるドロップレットが直進して共通輸送ダクト10の合流口内壁付近に衝突する。したがって、ドロップレットが共通輸送ダクト10を通過してプラズマ処理部1内に進入することを防止することができる。このようにしてドロップレットを除去した第1プラズマ16及び第2プラズマ17のプラズマ流が共通輸送ダクト10を経由してプラズマ処理部1に誘導される。このとき、第1プラズマ16及び第2プラズマ17を共通輸送ダクト10に導入するタイミングを制御することにより、プラズマ処理部1内のワークW表面に対して単一膜、混合膜、あるいは積層膜(多層積,超多層膜,超々多層膜)形成等の表面処理加工が行われる。第1プラズマ導入路22及び第2プラズマ導入路23のプラズマ発生部側の各始端には、それぞれ第1プラズマ16の引き出し用コイル25、第2プラズマ17の引き出し用コイル31が配設されている。なお、本実施形態におけるプラズマ表面処理に際しては必要に応じて反応性ガス又は非反応性ガス(不活性ガス)を導入することもできる。   The plasma introduction angles of the first plasma introduction path 22 and the second plasma introduction path 23 are set at an acute angle with respect to the transport direction of the common transport duct 10. The first plasma 16 and the second plasma 17 join the common transport duct 10 via the first plasma introduction path 22 and the second plasma introduction path 23, respectively. At this time, since each plasma introduction angle is set at an acute angle with respect to the transport direction of the common transport duct 10, droplets generated with the generation of each plasma go straight and near the inner wall of the common transport duct 10. collide. Therefore, it is possible to prevent the droplets from passing through the common transport duct 10 and entering the plasma processing unit 1. The plasma flows of the first plasma 16 and the second plasma 17 from which droplets have been removed in this way are guided to the plasma processing unit 1 via the common transport duct 10. At this time, by controlling the timing of introducing the first plasma 16 and the second plasma 17 into the common transport duct 10, a single film, a mixed film, or a laminated film (with respect to the surface of the workpiece W in the plasma processing unit 1) Surface treatment processing such as formation of multilayer products, super multilayer films, and ultra super multilayer films is performed. A coil 25 for extracting the first plasma 16 and a coil 31 for extracting the second plasma 17 are disposed at the start ends of the first plasma introducing path 22 and the second plasma introducing path 23 on the plasma generation side. . In the plasma surface treatment in this embodiment, a reactive gas or a non-reactive gas (inert gas) can be introduced as necessary.

プラズマ処理部1は、内部にワークWを載置するための、自公転機構を持つワーク配設テーブル7を有する角型の成膜チャンバであり、真空チャンバ4によって構成されている。真空チャンバ4には圧力計及び真空制御装置5、処理用ガスの導入制御系開閉装置6及び真空排気口8が配設されている。真空排気口8に接続されるべき真空排気制御装置、開閉バルブ、真空ポンプなどは図示してない。なお、処理用ガスの導入は、プラズマ発生部から行なってもよい。真空チャンバ4の一側面にはプラズマ導入口34が開口配置されている。プラズマ導入口34は、2つのプラズマ発生部2、3から発生するプラズマを導くプラズマ共通輸送ダクト10と連通している。真空チャンバ4と共通輸送ダクト10の最終部との間に、プラズマをチャンバ内でスキャンするための電磁コイルからなるスキャナー装置18が設けられている。スキャナー装置18にはスキャナーコイル28と補正コイル29が含まれる。補正コイル29は、スキャナーコイル28によるプラズマの偏向方向を補正するものである。この補正コイル29は、スキャナーコイル28とプラズマ輸送ダクトとの間に配設してもよい。なお、成膜チャンバは必ずしも角型である必要はなく、円柱形やベルジャー形またはそれらの変形でもよく,被処理物を収められる容器形状であればよい。   The plasma processing unit 1 is a rectangular film forming chamber having a work arrangement table 7 having a self-revolving mechanism for placing a work W therein, and is constituted by a vacuum chamber 4. The vacuum chamber 4 is provided with a pressure gauge and a vacuum control device 5, a processing gas introduction control system switching device 6, and a vacuum exhaust port 8. A vacuum exhaust control device, an on-off valve, a vacuum pump, and the like to be connected to the vacuum exhaust port 8 are not shown. Note that the processing gas may be introduced from the plasma generation unit. On one side surface of the vacuum chamber 4, a plasma inlet 34 is opened. The plasma inlet 34 communicates with the plasma common transport duct 10 that guides the plasma generated from the two plasma generators 2 and 3. Between the vacuum chamber 4 and the last part of the common transport duct 10 is provided a scanner device 18 comprising an electromagnetic coil for scanning plasma in the chamber. The scanner device 18 includes a scanner coil 28 and a correction coil 29. The correction coil 29 corrects the direction of plasma deflection by the scanner coil 28. The correction coil 29 may be disposed between the scanner coil 28 and the plasma transport duct. Note that the film formation chamber does not necessarily have a square shape, and may have a cylindrical shape, a bell jar shape, or a modification thereof, as long as it has a container shape that can accommodate an object to be processed.

共通輸送ダクト10及びスキャナー装置18はプラズマ導入口34に対して、換言すればチャンバの中心部に向けて直線状に配設されている。共通輸送ダクト10の始端側には第1プラズマ導入路22及び第2プラズマ導入路23が平面視略Y字形に接続されている。本実施形態では、第1プラズマ導入路22及び第2プラズマ導入路23の導入角度は前記共通輸送ダクトに対して略45°に設定されている。換言すれば、第1プラズマ導入路22と共通輸送ダクト10との成す角、および第2プラズマ導入路23と共通輸送ダクト10との成す角は、略135°に設定されている。   The common transport duct 10 and the scanner device 18 are arranged linearly with respect to the plasma inlet 34, in other words, toward the center of the chamber. A first plasma introduction path 22 and a second plasma introduction path 23 are connected to the starting end side of the common transport duct 10 in a substantially Y shape in plan view. In the present embodiment, the introduction angle of the first plasma introduction path 22 and the second plasma introduction path 23 is set to approximately 45 ° with respect to the common transport duct. In other words, the angle formed by the first plasma introduction path 22 and the common transport duct 10 and the angle formed by the second plasma introduction path 23 and the common transport duct 10 are set to approximately 135 °.

図2は共通輸送ダクト10の周辺のY字状プラズマ輸送ダクト構成例を示す。共通輸送ダクト10の途中が拡径されており、その拡径部19に後述のミキサーコイル(電磁コイル)21が配設されている。   FIG. 2 shows a configuration example of a Y-shaped plasma transport duct around the common transport duct 10. The diameter of the common transport duct 10 is enlarged, and a later-described mixer coil (electromagnetic coil) 21 is disposed in the enlarged diameter portion 19.

図3は拡径部19を設ける場合(3B)と、拡径部19を設けずに一定のダクト断面径からなるY字形輸送路35(3A)とを比較するための図である。図3において、図2と同一部材には同一の符号を付している。真空アークの陰極から副生するドロップレットは、陰極表面に形成される陰極点からあらゆる方向にから放出され、放出後は直進的に運動する。ドロップレットのほとんどは、固体に衝突するとその固体表面に付着し吸収されるが、ドロップレットの一部には固体表面で反射するものもある。この反射ドロップレットは、反射時に運動エネルギーを失いながら反射を繰り返し、やがて固体の表面に付着し吸収される。この反射ドロップレットが被処理物に到達すると、表面処理が施された目的物表面の平面度を低下させ、組成均一性を失い、膜質を低下させることになる。第1プラズマ導入路22又は第2プラズマ導入路23方向に放出されたドロップレットは、矢印33に示すように、共通輸送ダクト10の内壁に向かって直進していく。共通輸送ダクト10が拡径されていないときは、矢印36に示すように、内壁に反射したドロップレットがスキャナー装置18側、つまりプラズマ処理部1方向に進入していく割合が多くなる。図3の(3B)に示す拡径部19を設けると、拡径部19においてドロップレットを、矢印37に示すように逆戻り方向等に反射方向を変更させることができ、スキャナー装置18側に進入していく割合を減少させ、ドロップレット除去効率を向上させることができる。本実施形態では図2に示すように、拡径部19を共通輸送ダクト10の途中に設けている。   FIG. 3 is a diagram for comparing the case (3B) in which the enlarged diameter portion 19 is provided with the Y-shaped transport path 35 (3A) having a constant duct cross-sectional diameter without providing the enlarged diameter portion 19. 3, the same members as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals. The droplets by-produced from the cathode of the vacuum arc are emitted from all directions from the cathode spot formed on the cathode surface, and move straight after the emission. Most of the droplets adhere to and are absorbed by the solid surface when they collide with the solid, but some of the droplets reflect on the solid surface. This reflection droplet repeats reflection while losing kinetic energy at the time of reflection, and eventually adheres to the solid surface and is absorbed. When the reflection droplet reaches the object to be processed, the flatness of the surface of the target object subjected to the surface treatment is lowered, the composition uniformity is lost, and the film quality is lowered. The droplets emitted in the direction of the first plasma introduction path 22 or the second plasma introduction path 23 go straight toward the inner wall of the common transport duct 10 as indicated by an arrow 33. When the common transport duct 10 is not expanded in diameter, as indicated by an arrow 36, the ratio of the droplets reflected on the inner wall entering the scanner device 18 side, that is, toward the plasma processing unit 1 increases. When the enlarged diameter portion 19 shown in (3B) of FIG. 3 is provided, the direction of reflection of the droplets in the enlarged diameter portion 19 can be changed in the reverse direction as indicated by the arrow 37, and enters the scanner device 18 side. Therefore, the droplet removal efficiency can be improved. In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the enlarged diameter portion 19 is provided in the middle of the common transport duct 10.

更に、ドロップレットの除去効率を高めるために、ドロップレットが第1プラズマ16又は第2プラズマ17の進行方向に進行することを阻止するための阻止部材を設けるのが好ましい。図2に阻止部材としてのオリフィス32を示す。オリフィス32は、中空部の内径がダクト内径より小さい穴あき円板からなる。オリフィス32を共通輸送ダクト10、第1プラズマ導入路22及び第2プラズマ導入路23の内面側に取り付けることにより、輸送ダクトの局所的な縮径を生じ、プラズマ処理部1方向へ進行するドロップレットの量をより一層少なくすることができる。   Furthermore, it is preferable to provide a blocking member for preventing the droplet from traveling in the traveling direction of the first plasma 16 or the second plasma 17 in order to increase the droplet removal efficiency. FIG. 2 shows an orifice 32 as a blocking member. The orifice 32 is formed of a perforated disk whose hollow portion has an inner diameter smaller than the inner diameter of the duct. By attaching the orifice 32 to the inner surface side of the common transport duct 10, the first plasma introduction path 22 and the second plasma introduction path 23, a local diameter reduction of the transport duct occurs and the droplets proceed toward the plasma processing unit 1. Can be further reduced.

本実施形態では、オリフィス32を第1プラズマ導入路22及び第2プラズマ導入路23の内面側および共通輸送ダクト10の内面に取り付けている。また、第1プラズマ導入路22及び第2プラズマ導入路23の内面側および共通輸送ダクト10内面には、別の阻止部材として穴あきディスク状のバッフル38をひだ状に取り付けている。バッフル38は通常複数の板状片からなり、ドロップレットを捕捉あるいは反射し、ドロップレットがプラズマ処理部1方向へ進行しないようにする働きを有する。1片のバッフル38の内外径の差は約3〜15mmである。第1プラズマ導入路22及び第2プラズマ導入路23の内面側のバッフル38は、ダクト壁に垂直に取り付けられている。一方、共通輸送ダクト10の拡径部9の内面のバッフル38は、ドロップレットの進行に対向する向きに前傾する傾斜角度でダクト内に取り付けられている。バッフル38のダクト壁に対する傾斜角度は30〜150°に設定され、ダクトの場所・位置に応じて効率よくドロップレットが除去できる角度にするのがよい。バッフル38を内壁に接触させず、内壁面と0.5〜5mm程度離間させて取着してもよい。なお、オリフィス32はバッフル38より内径が小さく、その内径は約30〜80mmであり、板厚は0.5〜3mmである。また、バッフル38はダクト内壁への汚れを防止するための取り外し可能な防着管(プラズマ輸送ダクトの内壁を覆うように配設:防着筒、防着板とも呼ぶ)に取り付けるのが装置のメンテナンス上好ましい。   In the present embodiment, the orifice 32 is attached to the inner surface side of the first plasma introduction path 22 and the second plasma introduction path 23 and the inner surface of the common transport duct 10. Further, a perforated disk-like baffle 38 is attached in a pleated manner as another blocking member on the inner surface side of the first plasma introduction passage 22 and the second plasma introduction passage 23 and the inner surface of the common transport duct 10. The baffle 38 is usually composed of a plurality of plate-like pieces, and has a function of capturing or reflecting the droplet and preventing the droplet from traveling toward the plasma processing unit 1. The difference in inner and outer diameters of one piece of baffle 38 is about 3 to 15 mm. The baffles 38 on the inner surfaces of the first plasma introduction path 22 and the second plasma introduction path 23 are vertically attached to the duct wall. On the other hand, the baffle 38 on the inner surface of the enlarged diameter portion 9 of the common transport duct 10 is mounted in the duct at an inclination angle that is inclined forward in a direction opposite to the progress of the droplet. The inclination angle of the baffle 38 with respect to the duct wall is set to 30 to 150 °, and it is preferable to set the angle so that the droplets can be efficiently removed according to the location and position of the duct. The baffle 38 may be attached so as to be separated from the inner wall surface by about 0.5 to 5 mm without contacting the inner wall. The orifice 32 has an inner diameter smaller than that of the baffle 38, the inner diameter is about 30 to 80 mm, and the plate thickness is 0.5 to 3 mm. Further, the baffle 38 is attached to a removable deposition tube (which is disposed so as to cover the inner wall of the plasma transport duct: also referred to as a deposition tube or a deposition plate) for preventing dirt on the inner wall of the duct. It is preferable in terms of maintenance.

第1プラズマ導入路22の始端側に第1プラズマ発生部2が配設され、第2プラズマ導入路23の始端側に第2プラズマ発生部3が配設されている。第1プラズマ発生部2は、陽極(アノード)12と陰極(カソード)13からなる真空アーク放電部を有する。同様に、第2プラズマ発生部3も、陽極14と陰極15からなる真空アーク放電部を有する。各アーク放電部には、カソード及びアノード電極の他に、トリガ電極(図示略)やアーク安定化磁界発生器(電磁コイル若しくは永久磁石)24、30等も備えている。トリガ電極は、陰極と陽極の間に真空アークを誘起するための電極である。アーク安定化磁界発生器24、30は、アーク放電部における真空チャンバの外周あるいは陰極背後(アークソース部内部又は外部)に配置され、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のものである。なお、各アーク放電部の電源には、直流電源、パルス電源、パルス重畳直流電源などを使用することができる。   The first plasma generation unit 2 is disposed on the start end side of the first plasma introduction path 22, and the second plasma generation unit 3 is disposed on the start end side of the second plasma introduction path 23. The first plasma generation unit 2 has a vacuum arc discharge unit composed of an anode (anode) 12 and a cathode (cathode) 13. Similarly, the second plasma generating unit 3 also has a vacuum arc discharge unit composed of an anode 14 and a cathode 15. Each arc discharge unit includes a trigger electrode (not shown), arc stabilizing magnetic field generators (electromagnetic coils or permanent magnets) 24 and 30 in addition to the cathode and anode electrodes. The trigger electrode is an electrode for inducing a vacuum arc between the cathode and the anode. The arc stabilizing magnetic field generators 24 and 30 are arranged at the outer periphery of the vacuum chamber or behind the cathode (inside or outside the arc source part) in the arc discharge part, and stabilize the cathode generated by the vacuum arc and the plasma generated by the arc discharge. Is for. A DC power source, a pulse power source, a pulse superimposed DC power source, or the like can be used as a power source for each arc discharge unit.

陰極13、15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ば特に限定されない。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。プラズマの構成粒子は、アーク放電部の陰極13、15からの蒸発物質、若しくは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。プラズマ加工法(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)である。更に、電圧:5〜100V(望ましくは10〜80V、更に望ましくは10〜50V)、圧力:10−10〜10Pa(望ましくは10−6〜10Pa、更に望ましくは10−5〜10Pa)である。金属単体としては、典型金属および遷移金属のすべてが利用可能である。中でも、Al、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Ag、In、Sn、Sb、Hf、Ta、Pt、Au、Hg、Pb、Nd等が利用しやすい。また、合金又は金属間化合物としては、TiAl、TiCr、TiSi、AlSi、AlCr、NdFe等がある。また、無機単体としては、C等がある。また、無機化合物(セラミックス)としては、TiO、ZnO、SnO、ITO(Indium-Tin-0xide :スズ混入酸化インジウム)、In、CdSnO、CuO等の酸化物がある。更に、TiN、TiAlC、TiC、CrN、TiCN等の炭化物・窒化物等も、それぞれ挙げることができる。金属および合金膜の合成、あるいは陰極材料の組成の膜を形成するには、ガスを導入しないか、または後述の各種不活性ガスを用いる。また、前述の反応性ガスを導入することによって、上記陰極物質との組成と反応性ガスの組成とが混合した膜として、窒化物(例えば,AlN、TiN、CrN、CuN、ZnN、HfN、TaN、TiAlN、TiCrN、CrAlN、CrVN、など)、酸化物(例えば、Al、TiO、CrO、CuO、ZnO、ZrO、InZnO、TiAlO、ZrAlOなど)、窒化酸化物(例えば、AlNO、TiNO、CrNO、など)、炭化物(例えば、AlC、TiC、CrC、HfC、TaC、WCoC、WNiCrC、TiMoC、WTiTaC、WTiC/TiMoなど)、炭化窒化物(例えば、AlCN、TiCN、CrCN、WTiCN、WTiTaCN、MoCN、など)、炭酸化物(TiAlCO、ZrNbCOなど)、炭化水素化物(例えば、AlCH、など)、酸化水素化物(例えば、TiOH、など)、ケイ化物(シリサイド;例えば,FeSi、FeSi、NiSi、TiSi、MoSi、CoSi、TaSi、WSiなど)、ケイ化窒化物(例えば、AlSiN、TiSiN、CrSiNなど)、ホウ化物(例えば、TiBN、など)、硫化物(例えば、MoS、など)、フッ化物、塩化物、などの皮膜を得ることができる。また,陰極に黒鉛(C)を用いた場合、ダイヤモンドライクカーボン膜,水素含有ダイヤモンドライクカーボン膜、金属含有ダイヤモンドライクカーボン膜、Si含有ダイヤモンドライクカーボン膜、あるいはフッ素化ダイヤモンドライクカーボン膜の合成も可能である。 The cathodes 13 and 15 are sources for supplying a main constituent material of plasma, and the forming material is not particularly limited as long as it is a solid having conductivity. Regardless of whether it is a simple metal, an alloy, an inorganic simple substance, an inorganic compound (metal oxide / nitride) or the like, they can be used alone or in combination of two or more. The constituent particles of the plasma are not only the plasma-charged particles (ions, electrons) originating from the vaporized substances from the cathodes 13 and 15 in the arc discharge section, or the vaporized substances and the introduced gas (source), Includes neutral particles of molecules and atoms. The deposition conditions in the plasma processing method (vacuum arc deposition method) are: current: 1 to 600 A (desirably 5 to 500 A, more desirably 10 to 150 A). Further, voltage: 5 to 100 V (desirably 10 to 80 V, more desirably 10 to 50 V), pressure: 10 −10 to 10 2 Pa (desirably 10 −6 to 10 2 Pa, more desirably 10 −5 to 10 1 Pa). As the simple metal, all of typical metals and transition metals can be used. Among them, Al, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Ag, In, Sn, Sb, Hf, Ta, Pt, Au, Hg, Pb, Nd, etc. are used. It's easy to do. Examples of the alloy or intermetallic compound include TiAl, TiCr, TiSi, AlSi, AlCr, and NdFe. Examples of inorganic simple substance include C. Examples of inorganic compounds (ceramics) include oxides such as TiO 2 , ZnO, SnO 2 , ITO (Indium-Tin-0xide: indium oxide mixed with tin), In 2 O 3 , Cd 2 SnO 4 , and CuO. Furthermore, carbides / nitrides such as TiN, TiAlC, TiC, CrN, TiCN, etc. can also be mentioned. In order to synthesize metal and alloy films or to form a film having a cathode material composition, no gas is introduced or various inert gases described later are used. Further, by introducing the reactive gas described above, a nitride (eg, AlN, TiN, CrN, CuN, ZnN, HfN, TaN) is formed as a film in which the composition of the cathode material and the composition of the reactive gas are mixed. , TiAlN, TiCrN, CrAlN, CrVN, etc.), oxides (eg, Al 2 O 3 , TiO 2 , CrO, CuO, ZnO, ZrO 2 , InZnO, TiAlO, ZrAlO, etc.), nitride oxides (eg, AlNO, TiNO, CrNO, etc.), carbides (eg, AlC, TiC, CrC, HfC, TaC, WCoC, WNiCrC, TiMoC, WTiTaC, WTiC / TiMo, etc.), carbonitrides (eg, AlCN, TiCN, CrCN, WTiCN, WTiTaCN) , MoCN, etc.), carbonate (TiAlCO, Zr) bCO etc.), hydrocarbons product (e.g., ALCH, etc.), oxide hydrides (e.g., TiOH, etc.), silicides (silicide; eg, FeSi, FeSi 2, NiSi, TiSi 2, MoSi 2, CoSi 2, TaSi 2 , WSi, etc.), silicide nitride (eg, AlSiN, TiSiN, CrSiN, etc.), boride (eg, TiBN, etc.), sulfide (eg, MoS 2 , etc.), fluoride, chloride, etc. A film can be obtained. In addition, when graphite (C) is used for the cathode, it is possible to synthesize diamond-like carbon film, hydrogen-containing diamond-like carbon film, metal-containing diamond-like carbon film, Si-containing diamond-like carbon film, or fluorinated diamond-like carbon film. It is.

本発明に係るプラズマ処理装置により成膜されるITO、ATO、AZO、ZnO等は透明導電膜として用いられ、FeTbCo、FeGdCo、NdDyCo合金等は光磁気記録用膜として、CoCr、CoNi、FeNi合金等は垂直磁気記録用膜として、Si、SiC、AlN、Al23、SiO2等は絶縁保護膜として、Cr、SiO、Al、MgF2等は光学利用(反射膜、反射防止膜、フィルター膜など)として、MoSi、TaSi2、WSi、TiSi等は摺動性膜として、TiC、TiN、TiB2、ZrB2、LaB6等は機能性膜として、ZnS:Mn、ZnS:REはエレクトロルミネセンス用発光素子として、好適な特徴を有している。 ITO, ATO, AZO, ZnO, etc. formed by the plasma processing apparatus according to the present invention are used as a transparent conductive film, and FeTbCo, FeGdCo, NdDyCo alloy, etc. are used as magneto-optical recording films, such as CoCr, CoNi, FeNi alloy, etc. Is a perpendicular magnetic recording film, Si 3 N 4 , SiC, AlN, Al 2 O 3 , SiO 2, etc. are insulating protective films, and Cr, SiO 2 , Al, MgF 2, etc. are optically utilized (reflection film, antireflection) MoSi 2 , TaSi 2 , WSi 2 , TiSi 2 etc. as slidable films, TiC, TiN, TiB 2 , ZrB 2 , LaB 6 etc. as functional films, ZnS: Mn, ZnS: RE has suitable characteristics as a light-emitting element for electroluminescence.

陽極12、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ば特に限定されない。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。本実施形態において、陽極はステンレス鋼、銅又は炭素材(黒鉛:グラファイト)等から形成され、この陽極には水冷式又は空冷式などの冷却機構を付設するが望ましい。また、陽極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、特に限定されず、筒状体(円筒、角筒を問わない)、コイル状、U字形、更には、上下・左右に一対平行に配置したり、上下左右のどこか1箇所、又は複数箇所に配置したりして形成してもよい。   The material for forming the anodes 12 and 14 is not particularly limited as long as it does not evaporate even at the plasma temperature and is a non-magnetic material having conductivity. Regardless of whether it is a simple metal, an alloy, an inorganic simple substance, an inorganic compound (metal oxide / nitride) or the like, they can be used alone or in combination of two or more. The material used for the above-mentioned cathode can be appropriately selected and used. In the present embodiment, the anode is formed of stainless steel, copper, carbon material (graphite: graphite) or the like, and it is desirable to attach a cooling mechanism such as a water cooling type or an air cooling type to the anode. Also, the shape of the anode is not particularly limited as long as it does not block the entire progress of the arc plasma, and it is cylindrical (regardless of cylinder or square tube), coiled, U-shaped, and vertically and horizontally You may form by arrange | positioning in parallel one pair, arrange | positioning in one place somewhere on the upper and lower sides, right and left, or several places.

プラズマ処理部1のチャンバ内には、ガス導入を行わない場合もあるが、ガス導入システム(図示略)及びガス排出システム(図示略)を接続してもよい。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。導入ガスは、アーク放電部から導入してもよく、プラズマ処理部1とアーク放電部の両方から導入してもよい。プラズマ処理部1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く、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)等の非反応性ガスを適宜使用する。反応性ガスを使用すると、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。反応性ガスとしては、N,O,空気,水蒸気,H,炭酸ガス(CO,CO),脂肪族炭化水素ガス(CH,C,C,C,C,C,C,C,C,C10など)、芳香族炭化水素蒸気(C,C,C10,C10など)、フッ素ガス(CF,CHF,C6,C,C,など)、フッ素元素含有液体蒸気(C,C14,C14,C16,C16,C1018,C,C1728など)、シラン系ガス(SiH,など)、窒化系ガス(アミン系ガス、イミン系ガス、アミド系ガスなど)、塩化ガス,硫化ガス、アンモニア、ホウ素含有ガス(3フッ化ホウ素、シボラン、ペンタボランなど)、ハロゲンガス、など、およびこれらの混合ガスが利用でき、特に限定されるものではない。非反応性ガスとしては、He,Ne,Ar,Kr,Xeなどがある。ここで、反応性を制御するために希ガスを混合して反応性ガスの濃度を調整してもよい。又、アルコールの蒸気、有機金属ガス、又は有機金属液体(各種金属アルコキシドなど)の蒸気等を反応性ガスとして用いることができる。 Gas introduction may not be performed in the chamber of the plasma processing unit 1, but a gas introduction system (not shown) and a gas exhaust system (not shown) may be connected. A general-purpose system can be used as these systems. 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. The introduced gas may be introduced from the arc discharge part or may be introduced from both the plasma processing part 1 and the arc discharge part. When introducing from both the plasma processing unit 1 and the plasma generating unit, the type of gas may be different. As the introduction gas, when no reactive gas is used, a rare gas (usually for maintaining a constant pressure) is used. , Ar, and He) are appropriately used. When a reactive gas is used, it reacts with evaporated particles (plasma particles) using a cathode material or the like as a source to easily form a multi-compound film. Examples of reactive gases include N 2 , O 2 , air, water vapor, H 2 , carbon dioxide (CO, CO 2 ), aliphatic hydrocarbon gas (CH 4 , C 2 H 2 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , C 3 H 4 , C 3 H 6 , C 3 H 8 , C 4 H 6 , C 4 H 8 , C 4 H 10, etc.), aromatic hydrocarbon vapor (C 6 H 6 , C 7 H 8 , C 8 H 10 , C 10 H 8 etc.), fluorine gas (CF 4 , CHF 3 , C 2 F 6 , C 4 F 8 , C 5 F 8 , etc.), fluorine element-containing liquid vapor (C 6 F 6 , C, such as 6 F 14, C 7 F 14 , C 7 F 16, C 8 F 16, C 10 F 18, C 7 H 5 F 3, C 17 H 28 F 3), silane gas (SiH 4, etc.) , Nitriding gas (amine gas, imine gas, amide gas, etc.), chloride gas, sulfide gas, Near, boron-containing gas (boron trifluoride, Shiboran, etc. pentaborane), halogen gas, such as, and available mixture of these gases is not limited in particular. Non-reactive gases include He, Ne, Ar, Kr, and Xe. Here, in order to control the reactivity, a rare gas may be mixed to adjust the concentration of the reactive gas. Further, alcohol vapor, organometallic gas, or vapor of organometallic liquid (such as various metal alkoxides) can be used as the reactive gas.

上記のように、共通輸送ダクト10、第1プラズマ導入路22及び第2プラズマ導入路23は一平面上にY字形に接続され、第1プラズマ16及び第2プラズマ17が共通輸送ダクト10に対して鋭角に合流する。図4の(4A)は各プラズマ流の合流方向を模式的に示す。矢印aで示す第1プラズマ16のプラズマ流16aと、矢印bで示す第2プラズマ17のプラズマ流17aが合流して、矢印A2で示す共通輸送ダクト10の輸送方向に輸送されていく。
なお、共通輸送ダクト10は、第1プラズマ導入路22及び第2プラズマ導入路23が形成する平面から−90〜90°の範囲A1で屈曲して接続されても良い。このような3次元的Y字状ダクトの場合、プラズマ発生部から成膜位置への全屈曲角が増加するので、よりドロップレット除去効率が増加する。
As described above, the common transport duct 10, the first plasma introduction path 22, and the second plasma introduction path 23 are connected in a Y shape on one plane, and the first plasma 16 and the second plasma 17 are connected to the common transport duct 10. And merge at an acute angle. (4A) in FIG. 4 schematically shows the merging direction of each plasma flow. The plasma flow 16a of the first plasma 16 indicated by the arrow a and the plasma flow 17a of the second plasma 17 indicated by the arrow b merge and are transported in the transport direction of the common transport duct 10 indicated by the arrow A2.
The common transport duct 10 may be bent and connected within a range A1 of −90 to 90 ° from the plane formed by the first plasma introduction path 22 and the second plasma introduction path 23. In the case of such a three-dimensional Y-shaped duct, the total bending angle from the plasma generating portion to the film forming position increases, and thus the droplet removal efficiency is further increased.

また、このような3次元的Y字状ダクトを応用して、4個のプラズマ発生源を2個の3次元的Y字状ダクトで接続し、それをまた、Y字状ダクトで接続する構成も可能となる。その一例を図4の(4B)に示す。固体・液体をプラズマ源として又は気体をプラズマ作動ガスとしてプラズマを発生させる第1〜第4のプラズマ発生部(図示せず)において、それぞれ第1プラズマ40、第2プラズマ41、第3プラズマ44、及び第4プラズマ45を発生させる。これらの第1〜第4のプラズマ発生部のうち、少なくとも1つが真空雰囲気下に設定されたアーク放電部における真空アーク放電に基づくプラズマを発生させる。第1輸送ダクト部B1は、プラズマ輸送路C1、C2及び第1のプラズマ導入路C3の始端部から構成され、第1プラズマ40及び第2プラズマ41はそれぞれプラズマ輸送路C1、C2を通じて第1のプラズマ導入路C3の始端部で合流し、合流プラズマ42となる。第2輸送ダクト部B2は、プラズマ輸送路D1、D2及び第2のプラズマ導入路D3の始端部から構成され、第3プラズマ44及び第4プラズマ45はそれぞれプラズマ輸送路D1、D2を通じて第2のプラズマ導入路D3の始端部で合流し、合流プラズマ43となる。   In addition, by applying such a three-dimensional Y-shaped duct, four plasma generation sources are connected by two three-dimensional Y-shaped ducts, which are also connected by Y-shaped ducts. Is also possible. An example is shown in FIG. 4 (4B). In first to fourth plasma generation units (not shown) for generating plasma using solid / liquid as a plasma source or gas as a plasma working gas, a first plasma 40, a second plasma 41, a third plasma 44, respectively. And the fourth plasma 45 is generated. Among these first to fourth plasma generation units, at least one generates plasma based on vacuum arc discharge in an arc discharge unit set in a vacuum atmosphere. The first transport duct portion B1 is composed of plasma transport paths C1 and C2 and the start end portions of the first plasma introduction path C3, and the first plasma 40 and the second plasma 41 are first through the plasma transport paths C1 and C2, respectively. The plasma is combined at the start end of the plasma introduction path C <b> 3 to become a combined plasma 42. The second transport duct portion B2 includes plasma transport paths D1 and D2 and a start end portion of the second plasma introduction path D3, and the third plasma 44 and the fourth plasma 45 pass through the plasma transport paths D1 and D2, respectively. The plasma is merged at the start end of the plasma introduction path D <b> 3 to become a merged plasma 43.

プラズマ輸送路C1、C2のプラズマ導入角度は第1のプラズマ導入路C3の輸送方向に対して一平面に投影したとき鋭角を形成する3次元的配置に設定されている。また、プラズマ輸送路D1、D2のプラズマ導入角度は第2のプラズマ導入路D3の輸送方向に対して一平面に投影したとき鋭角を形成する3次元的配置に設定されている。第1プラズマ40、第2プラズマ41、第3プラズマ44、及び第4プラズマ45の各プラズマ導入路への導入段階でドロップレットが除去される。   The plasma introduction angles of the plasma transport paths C1 and C2 are set to a three-dimensional arrangement that forms an acute angle when projected onto one plane with respect to the transport direction of the first plasma introduction path C3. In addition, the plasma introduction angles of the plasma transport paths D1 and D2 are set to a three-dimensional arrangement that forms an acute angle when projected onto one plane with respect to the transport direction of the second plasma introduction path D3. Droplets are removed at the stage of introduction of the first plasma 40, the second plasma 41, the third plasma 44, and the fourth plasma 45 into the plasma introduction paths.

前記合流プラズマ42と合流プラズマ43は、第1のプラズマ導入路C3の終端部、第2のプラズマ導入路D3の終端部及び共通輸送ダクトEから構成される共通輸送ダクト部B3に導入され、前記合流プラズマ42と合流プラズマ43が更に合流して合流プラズマ46となる。即ち、第1プラズマ40及び第2プラズマ41の合流プラズマ42は第1のプラズマ導入路C3を通じて、プラズマ処理部(図示せず)に連通する共通輸送ダクトEに導入される。同様に、第3プラズマ44及び第4プラズマ45の合流プラズマ43は第2のプラズマ導入路D3を通じて共通輸送ダクトEに導入され、第1プラズマ40、第2プラズマ41、第3プラズマ44、及び第4プラズマ45は最終的に合流プラズマ46となる。第1のプラズマ導入路C3及び第2のプラズマ導入路D3のプラズマ導入角度は共通輸送ダクトEの輸送方向に対して、一平面に投影したとき鋭角を形成する3次元的配置に設定されており、この合流プラズマ42、43の導入段階においてもドロップレットが除去されるため、4個のプラズマ発生源を用いたプラズマ処理装置全体におけるドロップレット除去をより高効率で行え、成膜速度の向上が実現可能となる。   The combined plasma 42 and the combined plasma 43 are introduced into a common transport duct portion B3 including a terminal portion of the first plasma introducing path C3, a terminal portion of the second plasma introducing path D3, and a common transport duct E, The combined plasma 42 and the combined plasma 43 are further combined to form a combined plasma 46. That is, the combined plasma 42 of the first plasma 40 and the second plasma 41 is introduced into the common transport duct E communicating with the plasma processing unit (not shown) through the first plasma introduction path C3. Similarly, the combined plasma 43 of the third plasma 44 and the fourth plasma 45 is introduced into the common transport duct E through the second plasma introduction path D3, and the first plasma 40, the second plasma 41, the third plasma 44, and the The four plasmas 45 finally become the merged plasma 46. The plasma introduction angles of the first plasma introduction path C3 and the second plasma introduction path D3 are set to a three-dimensional arrangement that forms an acute angle when projected onto one plane with respect to the transport direction of the common transport duct E. In addition, since the droplets are removed even at the stage of introducing the combined plasmas 42 and 43, the droplets can be removed more efficiently in the entire plasma processing apparatus using the four plasma generation sources, and the film formation speed can be improved. It becomes feasible.

前記プラズマ発生部やプラズマ導入路の数は、生成膜の構造(多層膜、超多層膜、超々多層膜など)、組成比(単一膜、混合膜、化合物膜など)、成膜速度に応じて設計される。3個のプラズマ発生部を有するプラズマ処理装置の場合においても、第1〜第3プラズマを発生させる夫々のプラズマ発生部にプラズマ導入路が連接され、各プラズマ導入路の共通輸送ダクトの輸送方向に対する導入角度が鋭角に設定されている。ここで、少なくとも第1プラズマを発生させるプラズマ発生部は、真空アーク放電部からなるプラズマ発生手段を具備している。3個のプラズマ発生部を有するプラズマ処理装置の1つの実施例は、図1のプラズマ処理装置における共通輸送ダクト10の長さを延長し、この延長された共通輸送ダクト10の中段にプラズマを導入する第3のプラズマ導入路を連接して構成されるものである。この場合、前記共通輸送ダクト10の中段に接続されるプラズマ発生部を、真空アークプラズマを発生させる図1の第1プラズマ発生部に置き換えることができ、第1と第3又は全てのプラズマ発生部に真空アーク放電部からなるプラズマ発生手段を配設することもできる。   The number of plasma generators and plasma introduction paths depends on the structure of the generated film (multilayer film, super multilayer film, ultra super multilayer film, etc.), composition ratio (single film, mixed film, compound film, etc.), and the deposition rate. Designed. Even in the case of a plasma processing apparatus having three plasma generation units, a plasma introduction path is connected to each of the plasma generation units for generating the first to third plasmas, and the common transport duct of each plasma introduction path is in the transport direction. The introduction angle is set to an acute angle. Here, at least the plasma generating unit that generates the first plasma includes plasma generating means including a vacuum arc discharge unit. One embodiment of the plasma processing apparatus having three plasma generation units extends the length of the common transport duct 10 in the plasma processing apparatus of FIG. 1 and introduces plasma into the middle stage of the extended common transport duct 10. The third plasma introduction path is configured to be connected. In this case, the plasma generation unit connected to the middle stage of the common transport duct 10 can be replaced with the first plasma generation unit of FIG. 1 that generates vacuum arc plasma, and the first and third or all plasma generation units. It is also possible to arrange a plasma generating means comprising a vacuum arc discharge part.

3個のプラズマ発生部を有するプラズマ処理装置の別の実施例としては、図4の(4B)において、第1プラズマを発生させるプラズマ発生手段が真空アーク放電部から構成される場合、第2〜第4プラズマのいずれか1つのプラズマ発生手段を取外した形態がある。また、第1〜第3プラズマ導入路を共通輸送ダクトの異なる位置に連接し、前記共通輸送ダクトの始端位置に連接されたプラズマ導入路から順にプラズマを共通輸送ダクトに導入させることができる。即ち、前記第1〜第3プラズマが、夫々、共通輸送ダクトの輸送方向に対して鋭角に導入されれば良く、第1〜第3プラズマ導入路を全て同一平面上に配設する必要はなく、上記条件(導入角度が鋭角)を満たす前記共通輸送ダクトの任意の位置及び方向に第1〜第3プラズマ導入路を連接することができる。   As another example of the plasma processing apparatus having three plasma generation units, in (4B) of FIG. 4, when the plasma generation means for generating the first plasma is composed of a vacuum arc discharge unit, There is a form in which any one plasma generation means of the fourth plasma is removed. In addition, the first to third plasma introduction paths can be connected to different positions of the common transport duct, and plasma can be sequentially introduced into the common transport duct from the plasma introduction path connected to the starting end position of the common transport duct. That is, the first to third plasmas may be introduced at an acute angle with respect to the transport direction of the common transport duct, and it is not necessary to arrange all the first to third plasma introduction paths on the same plane. The first to third plasma introduction paths can be connected to any position and direction of the common transport duct that satisfies the above condition (the introduction angle is an acute angle).

図5は共通輸送ダクト10の拡径部19外周に設けたミキサーコイル21による回転磁場付与部19Aを示す。図5の(5A)に示すように、拡径部19のプラズマ導入口側には第1プラズマ16と第2プラズマ17の合流プラズマ50を共通輸送ダクト10側に誘引するガイドコイル26からなるガイドコイル部20が、また出口側には、プラズマ流を収束させる収束コイル27からなる収束コイル部27Aが配設されている。合流プラズマ50はダクト内径に応じたプラズマ流径51でガイドコイル部20に導入され、拡径部19を通過した後、ダクト内径に応じたプラズマ流径53で収束コイル部27Aから排出される。   FIG. 5 shows a rotating magnetic field applying portion 19 </ b> A by a mixer coil 21 provided on the outer periphery of the enlarged diameter portion 19 of the common transport duct 10. As shown in FIG. 5 (5A), a guide consisting of a guide coil 26 that attracts the confluent plasma 50 of the first plasma 16 and the second plasma 17 to the common transport duct 10 side on the plasma inlet side of the enlarged diameter portion 19. On the outlet side of the coil portion 20, a converging coil portion 27A including a converging coil 27 for converging the plasma flow is disposed. The merged plasma 50 is introduced into the guide coil portion 20 with a plasma flow diameter 51 corresponding to the inner diameter of the duct, passes through the enlarged diameter portion 19, and is then discharged from the converging coil portion 27A with a plasma flow diameter 53 corresponding to the inner diameter of the duct.

図5の(5B)に示すように、ミキサーコイル21は2組の対コイルからなる。一方は互いに対向配置され、直列若しくは並列接続された第1の回転磁界コイル54、55からなり、他方は第1の回転磁界コイル54、55と直交して配置され、かつ互いに対向配置され、直列若しくは並列接続された第2の回転磁界コイル56、57からなる。これらの磁界コイルは共通輸送ダクト10内部に輸送方向と直交する向きに磁界Bを発生させる。図6に示すように、第1の回転磁界コイル54、55及び第2の回転磁界コイル56、57に半周期ずらした交播電流R1、R2を流すと、図5の(5B)に示すように、2次元的に回転する回転磁界Brが発生する。拡径部19に誘導されたプラズマ58はこの回転磁界Brの回転作用を受けて、ダクト内部で回転し、拡径部19内部で一旦拡散・拡径され、その後、収束コイル部27Aにより縮径されることにより、均一に混合された混合プラズマ59となる。混合プラズマ59を収束コイル部27Aにより排出してプラズマ処理部1のチャンバ内に導入することによって、より均一に混合された高純度のプラズマを用いた成膜処理を行うことができる。   As shown in FIG. 5 (5B), the mixer coil 21 includes two pairs of coils. One is arranged opposite to each other and is composed of first rotating field coils 54 and 55 connected in series or in parallel, and the other is arranged orthogonal to the first rotating field coils 54 and 55 and arranged opposite to each other, in series. Or it consists of the 2nd rotating field coils 56 and 57 connected in parallel. These magnetic field coils generate a magnetic field B in the common transport duct 10 in a direction perpendicular to the transport direction. As shown in FIG. 6, when the alternating currents R <b> 1 and R <b> 2 shifted by a half cycle are passed through the first rotating field coils 54 and 55 and the second rotating field coils 56 and 57, as shown in FIG. 5 (5 </ b> B). In addition, a rotating magnetic field Br that rotates two-dimensionally is generated. The plasma 58 induced in the enlarged diameter portion 19 receives the rotating action of the rotating magnetic field Br, rotates inside the duct, is once diffused / expanded in the enlarged diameter portion 19, and then reduced in diameter by the converging coil portion 27A. As a result, the mixed plasma 59 is uniformly mixed. By discharging the mixed plasma 59 by the converging coil unit 27A and introducing it into the chamber of the plasma processing unit 1, a film forming process using a high-purity plasma mixed more uniformly can be performed.

図7はミキサーコイル21の他の例を示す。この例は3相のミキサーコイル21を用いた場合である。図8はミキサーコイル21を使用しない比較例を示す。図7及び図8において、図5と同一部材には同一符号を付している。図7及び図8の拡径部19の外周には、同軸並進用コイル19Bを配設している。同軸並進用コイル19Bは共通輸送ダクト10の直進方向(輸送方向)に沿った磁界Bzを発生する。図7の場合、同図(7B)に示すように、3組の対コイルからなるミキサーコイル21を用いている。各組は互いに対向配置され、直列接続された第1の回転磁界コイル21Aと21D、第2の回転磁界コイル21Bと21E、第3の回転磁界コイル21Cと21Fからなる。これらの対磁界コイルは互いに60°分離して配設されている。   FIG. 7 shows another example of the mixer coil 21. In this example, a three-phase mixer coil 21 is used. FIG. 8 shows a comparative example in which the mixer coil 21 is not used. 7 and 8, the same members as those in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals. A coaxial translation coil 19B is provided on the outer periphery of the enlarged diameter portion 19 in FIGS. The coaxial translation coil 19 </ b> B generates a magnetic field Bz along the straight traveling direction (transport direction) of the common transport duct 10. In the case of FIG. 7, as shown in FIG. 7B, a mixer coil 21 composed of three pairs of coils is used. Each set includes first rotating magnetic field coils 21A and 21D, second rotating magnetic field coils 21B and 21E, and third rotating magnetic field coils 21C and 21F that are arranged opposite to each other and connected in series. These magnetic field coils are separated from each other by 60 °.

図9に示すように、第1〜第3の回転磁界コイルに120°ずらした交播電流R、R、Rを流すと、同軸並進用コイル19Bによる磁界Bzと合成されて、図7の(7A)に示すように、3次元的に回転する回転磁界Brが発生する。ダクト内に導入された第1プラズマ16及び第2プラズマ17はこの回転磁界Brの回転作用を受けて、ダクト内部で回転し、拡径部19内部で拡散、混合された混合プラズマ53Aとなる。混合プラズマ53Aは3次元的に回転する回転磁界Brの作用によって、より一層、均一に拡散された混合度の高いプラズマ流となる。上記第1〜第3の回転磁界コイル及び、図5の第1及び第2の回転磁界コイルへの通電制御は、商用電源から単相、三相又は多相交流電流を生成し、その電流に対して電圧可変調整器を用いて電圧を調整して行われる。商用三相電源から電圧可変調整器を介して電力供給する方法が、電源供給の容易さおよびプラズマの回転拡散効率の面から、最も有効である。 As shown in FIG. 9, when the alternating currents R 1 , R 2 , and R 3 shifted by 120 ° are passed through the first to third rotating magnetic field coils, they are combined with the magnetic field Bz by the coaxial translation coil 19B. 7 (7A), a rotating magnetic field Br that rotates three-dimensionally is generated. The first plasma 16 and the second plasma 17 introduced into the duct are rotated by the rotating magnetic field Br, rotate inside the duct, and become a mixed plasma 53A that is diffused and mixed inside the enlarged diameter portion 19. The mixed plasma 53A becomes a plasma flow with a high degree of mixing that is evenly diffused by the action of the rotating magnetic field Br that rotates three-dimensionally. The energization control to the first to third rotating magnetic field coils and the first and second rotating magnetic field coils of FIG. 5 generates a single-phase, three-phase or polyphase alternating current from a commercial power source, On the other hand, the voltage is adjusted using a variable voltage regulator. A method of supplying power from a commercial three-phase power supply via a voltage variable regulator is most effective from the viewpoint of ease of power supply and the rotational diffusion efficiency of plasma.

図8に示すように、ミキサー機構を持たない場合、プラズマ16とプラズマ17が混合せず、分離したプラズマ53Bとして輸送されてしまう。
なお、ミキサー部では、ミキサー部前後のダクト内のプラズマ径よりもプラズマが拡散するため、ミキサー部前後の共通輸送ダクトの径よりもミキサー部の径を拡径する必要がある。つまり、共通輸送ダクト10の拡径部19は、ドロップレット除去およびミキサー空間確保の2つの機能・意味を有する。
As shown in FIG. 8, when the mixer mechanism is not provided, the plasma 16 and the plasma 17 do not mix and are transported as separated plasma 53B.
In the mixer section, since the plasma diffuses more than the plasma diameter in the duct before and after the mixer section, the diameter of the mixer section needs to be larger than the diameter of the common transport duct before and after the mixer section. That is, the enlarged diameter portion 19 of the common transport duct 10 has two functions and meanings of droplet removal and mixer space securing.

図10は図7のミキサー機能を有する共通輸送ダクトを用いた成膜実験結果を示す。これは、第1プラズマ16及び第2プラズマ17に真空アークを用いた場合である。第1プラズマ発生部2及び第2プラズマ発生部3の陰極は、ともにCu(無酸素銅)を用いた。各プラズマ発生部における真空アークのアーク電流はともに直流100Aとした。装置内(真空アーク部から成膜チャンバまでの全体)の圧力は0.005〜0.01Paとし、雰囲気ガスは導入しなかった。また、ミキサーコイル21によるミキサー効果だけを確認するためスキャナー装置18は動作させていない。図10の比較例ではミキサーコイル21を使用せず、つまり第1〜第3の回転磁界コイルを作動させていない場合であり、それによる成膜結果を図10の(10A)に示す。ミキサーを有効にしない場合には、第1真空アークの第1プラズマ発生部2から輸送されるプラズマビーム(第1プラズマ16)と、第2真空アークの第2プラズマ発生部3から輸送されるプラズマビーム(第1プラズマ17)は同軸並進用コイル19Bによる並進磁界Bzの作用を受けたプラズマ流53Bとなるだけで、拡散されずに分離しているため、それぞれのビームが成膜に対応してしまい、生成膜の中心が2箇所になっている。これに対し、ミキサーを有効にした場合、図10の(10B)に示すように、ダクト内に導入された第1プラズマ16及び第2プラズマ17は3次元回転磁界Brの回転作用を受けて、共通輸送ダクト10から排出されたプラズマビームは第1プラズマ16及び第2プラズマ17が一つに結合したプラズマ流53Aとなっているため、生成膜の中心は1箇所となった。以上の比較実験から、ミキサーコイル21の回転磁界によるプラズマ流の混合効果が良好な成膜結果に結びつくことが明らかとなった。   FIG. 10 shows the film formation experiment results using the common transport duct having the mixer function of FIG. This is a case where a vacuum arc is used for the first plasma 16 and the second plasma 17. Cu (oxygen-free copper) was used for the cathodes of the first plasma generation unit 2 and the second plasma generation unit 3. The arc current of the vacuum arc in each plasma generator was 100A DC. The pressure in the apparatus (the whole from the vacuum arc part to the film formation chamber) was 0.005 to 0.01 Pa, and no atmospheric gas was introduced. Further, the scanner device 18 is not operated to confirm only the mixer effect by the mixer coil 21. In the comparative example of FIG. 10, the mixer coil 21 is not used, that is, the first to third rotating magnetic field coils are not operated, and the film formation result is shown in (10A) of FIG. When the mixer is not activated, the plasma beam (first plasma 16) transported from the first plasma generator 2 of the first vacuum arc and the plasma transported from the second plasma generator 3 of the second vacuum arc. The beam (first plasma 17) is merely a plasma flow 53B subjected to the action of the translational magnetic field Bz by the coaxial translation coil 19B, and is separated without being diffused. As a result, the center of the generated film is two places. On the other hand, when the mixer is activated, as shown in FIG. 10 (10B), the first plasma 16 and the second plasma 17 introduced into the duct are subjected to the rotating action of the three-dimensional rotating magnetic field Br, Since the plasma beam discharged from the common transport duct 10 is a plasma flow 53A in which the first plasma 16 and the second plasma 17 are combined together, the center of the generated film is at one place. From the comparative experiments described above, it has been clarified that the mixing effect of the plasma flow by the rotating magnetic field of the mixer coil 21 leads to a good film formation result.

上記構成のプラズマ処理装置は、第1プラズマ及び/又は第2プラズマの発生時期、あるいは共通輸送ダクト10への導入時期を調整することにより、例えば共通輸送ダクト10への導入を同時に、あるいは時間的に別々に、又は部分的に同時に行うタイミングで制御して、ワークの成膜仕様・使用条件に応じた真空アークプラズマによる生成膜を含む単一膜(第1アーク陰極及び第2アーク陰極が同種の場合に生成される膜)、混合膜(第1アーク陰極及び第2アーク陰極が異種の場合に生成される膜)、又は積層膜(多層膜,超多層膜、超々多層膜)の形成を円滑に行うことができる。また、本実施形態に係るプラズマ処理装置は、共通輸送ダクト10を経由して、2種類の第1及び第2プラズマ16、17を成膜仕様・使用条件に応じてプラズマ処理部1に供給することができ、プラズマ加工装置の装置構造のコンパクト化を実現することができる。   The plasma processing apparatus having the above configuration adjusts the generation timing of the first plasma and / or the second plasma, or the introduction timing to the common transport duct 10, for example, to introduce into the common transport duct 10 simultaneously or temporally. And a single film containing a film formed by vacuum arc plasma according to the film forming specifications and usage conditions of the workpiece (the first arc cathode and the second arc cathode are the same type). Film), mixed film (film generated when the first arc cathode and the second arc cathode are different), or laminated film (multilayer film, super multilayer film, ultra super multilayer film). It can be done smoothly. In addition, the plasma processing apparatus according to the present embodiment supplies the two types of first and second plasmas 16 and 17 to the plasma processing unit 1 through the common transport duct 10 according to the film formation specifications and use conditions. Therefore, it is possible to realize a compact structure of the plasma processing apparatus.

本発明の構造特長を明確にするために、本発明に至る段階で検討したプラズマ加工装置の装置構造例と上記実施形態を比較する。図11及び図12はその比較例を示すが、本発明の実施形態と同様の部材については、同一の符号を付して説明を省略する。   In order to clarify the structural features of the present invention, an apparatus structure example of a plasma processing apparatus studied at the stage leading to the present invention is compared with the above embodiment. 11 and 12 show a comparative example, but the same members as those in the embodiment of the present invention are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

図11は、比較例として示すプラズマ処理装置の断面構成図である。真空アーク(陰極アーク)を蒸発源・プラズマ源とした第1プラズマ発生部101及び第2プラズマ発生部102を真空の成膜チャンバ100の側面に直接取り付けた場合である。第1プラズマ発生部101及び第2プラズマ発生部102はそれぞれ、陰極103、陽極104及び安定化電磁コイル105からなるアーク放電部を有し、それぞれ第1プラズマ106、第2プラズマ107を発生する。この場合、蒸発源である真空アークの陰極がチャンバ内のワークWに直面するため、各陰極から放出されるドロップレット108、109がワークWに容易に付着する。また、第1プラズマ発生部101及び第2プラズマ発生部102を成膜チャンバ100に直付けしているため、チャンバ側面にそれらが占める割合が多くなり、装置構造が複雑になっている。   FIG. 11 is a cross-sectional configuration diagram of a plasma processing apparatus shown as a comparative example. This is a case where the first plasma generation unit 101 and the second plasma generation unit 102 using a vacuum arc (cathode arc) as an evaporation source / plasma source are directly attached to the side surface of the vacuum film formation chamber 100. Each of the first plasma generation unit 101 and the second plasma generation unit 102 includes an arc discharge unit including a cathode 103, an anode 104, and a stabilizing electromagnetic coil 105, and generates a first plasma 106 and a second plasma 107, respectively. In this case, since the cathode of the vacuum arc as an evaporation source faces the workpiece W in the chamber, the droplets 108 and 109 emitted from each cathode easily adhere to the workpiece W. In addition, since the first plasma generation unit 101 and the second plasma generation unit 102 are directly attached to the film forming chamber 100, the ratio of the first plasma generation unit 101 and the second plasma generation unit 102 to the side surfaces of the chamber increases and the apparatus structure is complicated.

図12は、比較例として示す、他のプラズマ処理装置の断面構成図である。第2プラズマ発生部201にプラズマ輸送コイル205を配置したトーラス型プラズマ磁気輸送ダクト209を設け、フィルタードアークを蒸発源として配設した例である。第2プラズマ203はトーラス(ドーナツ状ダクトの一部)型の磁気フィルタを接続した真空アーク蒸発源を用いている。このトーラス型フィルタードアークはCrやAlなど、溶融したドロップレットを放出する陰極の場合に有効である。溶融したドロップレット206は固体に接すると固着するため、主にトーラスダクトの外周部内壁で捕集可能となる。第1プラズマ発生部202には、ドロップレット207を捕集するドロップレット捕集部を兼ねたT字形状プラズマ輸送ダクト208が接続されている。しかし、この場合、ドロップレットの分離や捕集は可能であるが、第1プラズマ204と第2プラズマ203のプラズマ流の成膜チャンバ200への接続口が個々に存在するため、それらを複数個配設しようとすると、成膜チャンバの壁面積の制約が一層生じることになり、実際上実施は困難となる。   FIG. 12 is a cross-sectional configuration diagram of another plasma processing apparatus shown as a comparative example. This is an example in which a torus-type plasma magnetic transport duct 209 having a plasma transport coil 205 disposed in the second plasma generation unit 201 is provided and a filtered arc is disposed as an evaporation source. The second plasma 203 uses a vacuum arc evaporation source to which a torus (part of a donut-shaped duct) type magnetic filter is connected. This torus type filtered arc is effective in the case of a cathode that discharges molten droplets such as Cr and Al. Since the molten droplet 206 is fixed when it comes into contact with the solid, it can be collected mainly on the inner wall of the outer periphery of the torus duct. The first plasma generation unit 202 is connected to a T-shaped plasma transport duct 208 that also serves as a droplet collection unit that collects the droplets 207. However, in this case, the droplets can be separated and collected. However, since there are individual connection ports of the plasma flow of the first plasma 204 and the second plasma 203 to the film forming chamber 200, a plurality of them are provided. If it is to be arranged, the wall area of the film forming chamber is further restricted, and practically difficult to implement.

殊に、図11及び図12の場合には、ワークWが成膜チャンバ100、200内の一箇所に配設して処理すると、第1プラズマによる処理と第2プラズマによる処理を複合的に同時の又は同方向からのプロセスで行えないという欠陥がある。一方、本実施形態では、共通輸送ダクト10を経由して各プラズマを導入する構造であるため、成膜チャンバにおけるスペースを制約することなく、複数のプラズマ発生源をコンパクトに配設して構造の簡素化を実現することができる。また、共通輸送ダクト10、第1プラズマ導入路22及び第2プラズマ導入路23を一平面上において略Y字形に接続されているため、共通輸送ダクト10を経由して導入されるプラズマはドロップレットが除去された高純度のものであり、単一膜・混合膜・積層膜(多層膜、超多層膜、超々多層膜)形成を円滑かつ高精度に行うことができる。したがって、図11及び図12に示した、ドロップレットの除去、成膜チャンバの壁面積の制約、単一膜・混合膜・積層膜(多層膜、超多層膜、超々多層膜)の精密形成などの問題を一挙に解決して、プラズマ加工装置のコンパクト化と、単一膜・混合膜・積層膜(多層膜、超多層膜、超々多層膜)成膜の円滑実施及び精密形成を実現している。   In particular, in the case of FIGS. 11 and 12, when the workpiece W is disposed and processed in one place in the film forming chambers 100 and 200, the processing by the first plasma and the processing by the second plasma are simultaneously performed in a complex manner. There is a defect that it cannot be performed by a process from the same direction. On the other hand, in the present embodiment, since each plasma is introduced via the common transport duct 10, a plurality of plasma generation sources are arranged in a compact manner without restricting the space in the film forming chamber. Simplification can be realized. Further, since the common transport duct 10, the first plasma introduction path 22 and the second plasma introduction path 23 are connected in a substantially Y shape on one plane, the plasma introduced via the common transport duct 10 is droplets. The high-purity film is removed, and a single film, a mixed film, or a laminated film (multilayer film, super multilayer film, ultra super multilayer film) can be formed smoothly and with high accuracy. Therefore, as shown in FIGS. 11 and 12, removal of droplets, limitation of the wall area of the film forming chamber, precise formation of a single film / mixed film / laminated film (multilayer film, super multilayer film, ultra super multilayer film), etc. To solve the problem at once, and to realize a compact plasma processing device and smooth and precise formation of single film / mixed film / laminated film (multilayer film, super multilayer film, ultra super multilayer film). Yes.

以下、本発明に係るプラズマ処理装置を用いた成膜工程の制御性について説明する。図13は、本発明に係るプラズマ処理装置を用いて成膜された目的物の概略断面図を示している。(13A)の実施例では、ワークWの表面に単一膜又は混合膜L9が成膜されている。この単一膜又は混合膜L9は、前記第1プラズマと第2プラズマを同時に発生させ、前記共通輸送ダクトを介して成膜チャンバ内に導入することにより、均一な単一膜又は混合膜が成膜される。例えば、第1プラズマがTiをプラズマ源とし、第2プラズマがAlをプラズマ源とし、成膜チャンバ内に反応ガスとして窒素ガスを導入した場合、前記混合膜L9として金属間化合物のTiAl膜がワークW表面に成膜される。組成比X、Y、Zは、例えば、第1プラズマを一定の条件で発生させ、第2プラズマの発生方法を制御すれば、所望の組成比X、Yを有する混合膜が得られる。第2プラズマが真空アークの場合、アーク電流を調整して所望の組成比X、Yを有するTiAl膜を成膜することができる。 The controllability of the film forming process using the plasma processing apparatus according to the present invention will be described below. FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of an object formed using the plasma processing apparatus according to the present invention. In the example of (13A), a single film or a mixed film L9 is formed on the surface of the workpiece W. The single film or mixed film L9 generates the first plasma and the second plasma simultaneously and introduces them into the film forming chamber through the common transport duct, thereby forming a uniform single film or mixed film. Be filmed. For example, when the first plasma uses Ti as the plasma source, the second plasma uses Al as the plasma source, and nitrogen gas is introduced as a reactive gas into the film forming chamber, the mixed film L9 is an intermetallic compound Ti X Al Y. An NZ film is formed on the surface of the workpiece W. As for the composition ratios X, Y, and Z, for example, if the first plasma is generated under a certain condition and the generation method of the second plasma is controlled, a mixed film having the desired composition ratios X and Y can be obtained. When the second plasma is a vacuum arc, a Ti X Al Y N Z film having desired composition ratios X and Y can be formed by adjusting the arc current.

(13B)は、膜厚の異なる生成膜L10、L11が形成された目的物の概略断面図である。図14の(14A)には、(13B)に示した生成膜L10、L11に対する成膜プロセスのタイミングチャートが示されている。(14A)の下段は、生成膜L11のタイミングチャートを示しており、このタイミングチャートに従って、生成膜L11を形成するプラズマが発生され、プラズマ処理部に導入されることによりワークW表面に生成膜L11が成膜される。更に、(14A)の上段には、生成膜L10に対する成膜プロセスのタイミングチャートが示されており、このタイミングチャートに従って生成膜L10を形成するプラズマを発生させて、このプラズマを成膜チャンバに導入することにより生成膜L11の表面に更に生成膜L10が成膜されて積層膜(多層膜、超多層膜、超々多層膜)がワークW表面に形成される。また、成膜チャンバに反応性ガスなどを導入することにより、生成膜L10、L11は金属膜、炭素膜、珪素膜,又は金属間化合物から形成され、例えば、窒素を成膜チャンバ内に導入し、1つのプラズマ源がTiからなり、もう1つのプラズマ源がAlからなる2つのプラズマ源を用いることにより、TiN膜とAlN膜を生成膜L10、L11としてワークW表面上に積層することができる。このような2種類の生成膜を交互に積層していくことにより、図13の(13C)に示す積層膜を形成することができ、積層膜形成における成膜プロセスのタイミングチャートが図14の(14B)に示されている。また、前記生成膜L10、L11として組成比の異なる2種類の生成膜を交互に積層し、積層膜を形成することができる。   (13B) is a schematic cross-sectional view of an object on which formed films L10 and L11 having different film thicknesses are formed. (14A) of FIG. 14 shows a timing chart of the film forming process for the generated films L10 and L11 shown in (13B). The lower part of (14A) shows a timing chart of the generation film L11. According to this timing chart, the plasma for forming the generation film L11 is generated and introduced into the plasma processing unit, whereby the generation film L11 is formed on the surface of the workpiece W. Is deposited. Further, in the upper part of (14A), a timing chart of a film forming process for the generated film L10 is shown. According to this timing chart, plasma for forming the generated film L10 is generated, and this plasma is introduced into the film forming chamber. As a result, the generation film L10 is further formed on the surface of the generation film L11, and a laminated film (multilayer film, super multilayer film, ultra super multilayer film) is formed on the surface of the workpiece W. Further, by introducing a reactive gas or the like into the film formation chamber, the generated films L10 and L11 are formed from a metal film, a carbon film, a silicon film, or an intermetallic compound. For example, nitrogen is introduced into the film formation chamber. By using two plasma sources in which one plasma source is made of Ti and another plasma source is made of Al, a TiN film and an AlN film can be laminated on the surface of the workpiece W as generation films L10 and L11. . By alternately laminating such two types of generated films, the laminated film shown in FIG. 13C can be formed, and the timing chart of the film formation process in the laminated film formation is shown in FIG. 14B). Further, two types of generated films having different composition ratios can be alternately stacked as the generated films L10 and L11 to form a stacked film.

図15は、遷移混合膜L3、L6又は境界層L8を有する積層膜が形成された目的物の概略断面図である。(15A)では、遷移混合膜L3が層形成されており、図16の(16A)はその成膜プロセスおけるタイミングチャートを示している。ワークW表面に、まず生成膜L2を成膜し、その上に遷移混合膜L3を形成して所望の生成膜L1を成膜する。例えば、前記生成膜L2としてTiN膜を成膜し、遷移混合膜L3としてTiAlN膜を成膜して、その上に生成膜L1としてAlN膜を成膜することにより、TiN膜とAlN膜との応力の差を緩和し、密着性の良い金属間化合物からなる積層膜を形成することができる。図16の(16A)下段に示すように、生成膜L2の成膜は第2プラズマの定常導入状態にして行う。TiN膜、AlN膜、TiAlN膜を成膜する場合は、常時、窒素ガスが成膜チャンバ内に導入されている。ついで、第1プラズマ及び第2プラズマを交互に共通輸送ダクトに送り出す状態にする。これにより、遷移混合膜L3が形成される。形成後、第2プラズマの供給を停止し、第1プラズマの定常導入状態にする。このとき、予め、遷移混合膜L3が中間下地層として形成されているので、生成膜L1を安定して積層形成することができる。   FIG. 15 is a schematic cross-sectional view of an object on which a laminated film having transition mixed films L3 and L6 or a boundary layer L8 is formed. In (15A), the transition mixed film L3 is formed, and (16A) in FIG. 16 shows a timing chart in the film forming process. First, a product film L2 is formed on the surface of the work W, and a transition mixed film L3 is formed thereon to form a desired product film L1. For example, a TiN film is formed as the generation film L2, a TiAlN film is formed as the transition mixed film L3, and an AlN film is formed as the generation film L1 thereon, whereby the TiN film and the AlN film are formed. It is possible to relax the difference in stress and form a laminated film made of an intermetallic compound with good adhesion. As shown in the lower part of FIG. 16 (16A), the formation of the generation film L2 is performed in a state where the second plasma is constantly introduced. When forming a TiN film, an AlN film, or a TiAlN film, nitrogen gas is always introduced into the film forming chamber. Next, the first plasma and the second plasma are alternately sent to the common transport duct. Thereby, the transition mixed film L3 is formed. After the formation, the supply of the second plasma is stopped to bring the first plasma into a steady introduction state. At this time, since the transition mixed film L3 is formed in advance as an intermediate underlayer, the generated film L1 can be stably laminated.

図15の(15B)は、(15A)の生成膜を交互に積層した多層膜を示す。図16の(16B)はその多層成膜プロセスのタイミングチャートを示す。(16A)と同様のプロセスを繰り返すことにより、生成膜L5の上に、遷移混合膜L6を介在させて生成膜L4を形成した多層積層構造成膜を行うことができる。図15の(15C)は上記遷移混合膜の形成プロセスを利用して、生成膜L8上に、遷移混合膜L7を厚く形成した場合である。図16の(16C)のタイミングチャートに示すように、この場合、第1プラズマを定常導入状態にせずに、遷移混合膜L7のみを形成する。なお、多層積層成膜プロセス実行の際、プラズマ導入タイミング制御に必要なプラズマ発生部の駆動制御等は図示しないシーケンス制御装置又はコンピュータ制御装置によって管理される。また、TiAlN膜等の金属間化合物からなる生成膜の組成比を調整する場合、プラズマ発生部における電流値やその波形を可変し、蒸発速度や単位時間当りの蒸発時間を変化させて行う。また、第1プラズマと第2プラズマとの成膜を切り換える境界の時間で同時にプラズマを発生させれば、生成膜間で組成が傾斜した傾斜膜を形成することもできる。   (15B) of FIG. 15 shows a multilayer film in which the generated films of (15A) are alternately laminated. (16B) of FIG. 16 shows a timing chart of the multilayer film forming process. By repeating the same process as (16A), it is possible to form a multilayer stacked structure in which the generation film L4 is formed on the generation film L5 with the transition mixed film L6 interposed therebetween. FIG. 15 (15C) shows a case where the transition mixed film L7 is formed thickly on the generated film L8 by using the above transition mixed film forming process. As shown in the timing chart of (16C) of FIG. 16, in this case, only the transition mixed film L7 is formed without bringing the first plasma into the steady introduction state. Note that, when executing the multilayer stacked film formation process, the drive control of the plasma generation unit necessary for plasma introduction timing control is managed by a sequence control device or a computer control device (not shown). In addition, when adjusting the composition ratio of a generated film made of an intermetallic compound such as a TiAlN film, the current value and its waveform in the plasma generating part are varied, and the evaporation rate and the evaporation time per unit time are changed. Further, if the plasma is generated at the same time at the boundary time for switching the film formation between the first plasma and the second plasma, it is possible to form an inclined film having a composition gradient between the generated films.

図17は、本発明に使用するプラズマ発生方法を説明するための模式図である。第2プラズマの発生方式は、成膜仕様・条件に応じて適宜選択されてよい。適用可能なプラズマ発生方式として、例えば、固体から直接プラズマを得るプラズマの発生方法がある。(17A)に示す真空アーク放電(本実施形態で採用した陰極アーク放電(又は陽極アーク放電も可)、(17B)に示すような高圧パルス電流源90を接続し、高電圧大電流パルス電流によりターゲット材91からプラズマを誘起させるシャンティングアークがある。また、各種スパッタ(セルフスパッタ、マグネトロンスパッタ、V字型スパッタ)を利用してもよい。   FIG. 17 is a schematic diagram for explaining the plasma generation method used in the present invention. The generation method of the second plasma may be appropriately selected according to the film formation specifications and conditions. As an applicable plasma generation method, for example, there is a plasma generation method for obtaining plasma directly from a solid. A vacuum arc discharge shown in (17A) (cathode arc discharge (or anodic arc discharge is also acceptable) employed in the present embodiment), a high voltage pulse current source 90 as shown in (17B) is connected, and a high voltage high current pulse current is used. There is a shunting arc that induces plasma from the target material 91. Various types of sputtering (self-sputtering, magnetron sputtering, V-shaped sputtering) may be used.

図18は、本発明に使用する他のプラズマ発生方法を説明するための模式図である。(18A)に示すように、前記マグネトロンスパッタにはアンバランスドマグネトロンスパッタがあり、永久磁石92の近傍に配置したスパッタターゲット94をスパッタ蒸発源96として固体を蒸発させ,その固体蒸発物をアンバランスドマグネトロン自体のプラズマ化機能や誘導結合RFプラズマ源コイル93によりプラズマ化してプラズマ流を誘起させる。また、(18B)に示すように、V字型スパッタでは、一組または複数組の永久磁石95をV字型に配置したスパッタ蒸発源97を備える。V字型スパッタの場合も、アンバランスドマグネトロンの場合と同様に、バランスしていない磁場に起因してスパッタ領域から漏れる電子によって、蒸発物がプラズマ化される。   FIG. 18 is a schematic diagram for explaining another plasma generation method used in the present invention. As shown in (18A), the magnetron sputter includes unbalanced magnetron sputter. The sputter target 94 disposed in the vicinity of the permanent magnet 92 is used as a sputter evaporation source 96 to evaporate the solid, and the solid evaporate is unbalanced. The plasma flow is induced by plasmaizing by the plasma function of the domagnetron itself or by the inductively coupled RF plasma source coil 93. Further, as shown in (18B), the V-shaped sputtering includes a sputtering evaporation source 97 in which one set or a plurality of sets of permanent magnets 95 are arranged in a V-shape. In the case of V-shaped sputtering, as in the case of an unbalanced magnetron, the evaporated substance is turned into plasma by electrons leaking from the sputtering region due to an unbalanced magnetic field.

図19は、本発明に使用する他のプラズマ発生方法を説明するための模式図である。更に、別の適用可能なプラズマ発生方式として、固体を蒸発した後でプラズマ化するプラズマ発生方法がある。この場合、ホローカソードアーク、電子ビーム励起プラズマ、各種スパッタ(高周波スパッタ、中周波スパッタ、直流スパッタ、交流スパッタ、マグネトロンスパッタ)の他に、抵抗蒸発や電子ビーム蒸発などを利用できる。抵抗蒸発法は、(19A)に示すように、抵抗蒸発源80として蒸発用ボート81に収容した蒸発材料82を用い、また容量結合プラズマ源電極83により支援して、プラズマを誘起させる。電子ビーム蒸発法は、図19の(19B)に示すように、電子ビーム蒸発源84として蒸発ターゲット86に電子ビーム85を照射し、また誘導結合プラズマ源コイル87により支援して、プラズマを誘起させる。これらの方法で蒸発させた蒸発物をプラズマ化するプラズマとして、ホローカソードアーク、電子ビーム励起プラズマ、直流放電、低周波・中周波・高周波プラズマ(誘導結合型の例は図18を参照。容量結合型の例は図19の(19A)を参照)、パルスプラズマ、マイクロ波プラズマ、表面波プラズマ、又は電子シャワープラズマなどを利用できる。   FIG. 19 is a schematic diagram for explaining another plasma generation method used in the present invention. Furthermore, as another applicable plasma generation method, there is a plasma generation method in which a solid is evaporated and then converted into plasma. In this case, resistance evaporation, electron beam evaporation, etc. can be used in addition to hollow cathode arc, electron beam excited plasma, and various types of sputtering (high frequency sputtering, medium frequency sputtering, DC sputtering, AC sputtering, magnetron sputtering). In the resistance evaporation method, as shown in (19A), the evaporation material 82 accommodated in the evaporation boat 81 is used as the resistance evaporation source 80, and the plasma is induced with the assistance of the capacitively coupled plasma source electrode 83. In the electron beam evaporation method, as shown in (19B) of FIG. 19, an electron beam 85 is irradiated to an evaporation target 86 as an electron beam evaporation source 84, and plasma is induced by assisting with an inductively coupled plasma source coil 87. . As a plasma for converting the evaporated material evaporated by these methods into a plasma, a hollow cathode arc, an electron beam excitation plasma, a direct current discharge, a low frequency / medium frequency / high frequency plasma (see FIG. 18 for an example of inductive coupling type. Capacitive coupling) Examples of the molds can be obtained by using pulse plasma, microwave plasma, surface wave plasma, electron shower plasma, or the like (see FIG. 19A).

更に、別の適用可能なプラズマ発生方式として、気体、あるいは気化またはミスト化した液体をプラズマ化する方法を利用できる。直流放電、低周波・中周波・高周波プラズマ、ホローカソードアーク、パルスプラズマ、マイクロ波プラズマ、表面波プラズマ、又は電子シャワープラズマなどを利用できる。図20は、気体、あるいは気化またはミスト化した液体を、導入管部303を通して輸送しプラズマ発生部300でプラズマ化する方法(図20の(20A))と、気体、あるいは気化またはミスト化した液体をチャンバ302内に配置したプラズマ発生部301でプラズマ化する方法(図20の(20B))を示している。導入管部303が貫通するプラズマ発生部300でプラズマ化する場合、高周波プラズマ(誘導結合型および容量結合型)、マイクロ波プラズマを利用できる。チャンバ302内でプラズマ化する場合、前記の直流放電、低周波・中周波・高周波プラズマ、ホローカソードアーク、パルスプラズマ、マイクロ波プラズマ、表面波プラズマ、又は電子シャワープラズマなどの方法が可能である。真空アークで利用できない材料、例えば、Siなどを組成に含む膜を形成する場合、真空アーク以外の方法を利用するとよい。   Furthermore, as another applicable plasma generation method, a method of converting a gas or a vaporized or misted liquid into plasma can be used. DC discharge, low frequency / medium frequency / high frequency plasma, hollow cathode arc, pulse plasma, microwave plasma, surface wave plasma, or electron shower plasma can be used. FIG. 20 shows a method of transporting a gas or vaporized or misted liquid through the introduction pipe portion 303 and converting it into plasma by the plasma generating unit 300 ((20A) in FIG. 20), and a gas or vaporized or misted liquid. Is converted into plasma by the plasma generator 301 disposed in the chamber 302 ((20B) in FIG. 20). When plasma is generated by the plasma generation unit 300 through which the introduction pipe unit 303 penetrates, high-frequency plasma (inductive coupling type and capacitive coupling type) and microwave plasma can be used. When the plasma is formed in the chamber 302, the above-described methods such as DC discharge, low frequency / medium frequency / high frequency plasma, hollow cathode arc, pulse plasma, microwave plasma, surface wave plasma, or electron shower plasma can be used. When forming a film containing a material that cannot be used in a vacuum arc, such as Si, for example, a method other than a vacuum arc may be used.

図21は、本実施形態に用いるスキャナー装置18の概略構成図である。輸送されるプラズマ流の直径は30mm〜70mmである。これは成膜面積に等しい。従って、それ以上の領域に成膜しようとする場合、あるいは,それ以上の領域に複数の被処理物が配置されている場合、プラズマをスキャンすることにより所望の成膜を得ることができる。(21A)に示すように、共通輸送ダクト10の出口付近に、スキャナー装置18が配設されている。(21B)の断面図に示すように、(21A)のスキャナーコイル28は、X方向電磁石63とY方向電磁石64からなり、スキャナー部ダクト外周に取り付けられる。一方向のみのスキャンでよい場合は、X方向電磁石63とY方向電磁石64のいずれか一方の電磁石だけを配設すればよい。   FIG. 21 is a schematic configuration diagram of the scanner device 18 used in the present embodiment. The diameter of the plasma flow to be transported is 30 mm to 70 mm. This is equal to the film formation area. Therefore, when a film is to be formed in a region beyond that, or when a plurality of objects to be processed are arranged in a region beyond that, a desired film can be obtained by scanning plasma. As shown in (21A), a scanner device 18 is disposed near the exit of the common transport duct 10. As shown in the sectional view of (21B), the scanner coil 28 of (21A) includes an X-direction electromagnet 63 and a Y-direction electromagnet 64, and is attached to the outer periphery of the scanner section duct. If scanning in only one direction is sufficient, only one of the X-direction electromagnet 63 and the Y-direction electromagnet 64 may be provided.

図22はスキャナー装置18に用いる駆動電流を示す波形図である。同図(22A)に示すように、スキャナーコイル28の電磁石に交播電流72を流すことにより一方向に振動する交播磁界65によりプラズマ流を周期的に偏向・振動させ、成膜位置を1次元的にスキャンさせることができる。一方、図21の(21B)に示すように、X方向電磁石63とY方向電磁石64を取り付けた場合、図22の(22B)に示すように、X方向電磁石63とY方向電磁石64の各々に、位相差を有し、周期的に変化する電流70、71を流すことにより、X方向電磁石63が発生する磁界BとY方向電磁石64が発生するBとの合成磁界であるBの向きや強さを時間的に変化させてプラズマ流の振れ方向や角度を制御し、成膜位置を2次元的にスキャンさせることができる。交播電流(周期的電流)は、サイン波や三角波などが比較的容易に利用できるが、より実際的には成膜範囲の膜厚が一定になるように、任意波形発生装置やコンピュータ制御・シーケンス制御によって波形を自在に制御するのが望ましい。X方向コイルとY方向コイルに流す前記周期的電流の周期を変えることも可能である。なお、プラズマ流の拡散を抑止するため、並進用(Z方向用,プラズマ流の進行方向用)磁界66を印加する電磁コイルを、スキャナー部に併設することも可能である。 FIG. 22 is a waveform diagram showing the drive current used in the scanner device 18. As shown in FIG. 22A, the plasma flow is periodically deflected and oscillated by the co-spinning magnetic field 65 oscillating in one direction by passing the co-sintering current 72 through the electromagnet of the scanner coil 28, and the film forming position is set to 1. It can be scanned dimensionally. On the other hand, when the X-direction electromagnet 63 and the Y-direction electromagnet 64 are attached as shown in FIG. 21 (21B), the X-direction electromagnet 63 and the Y-direction electromagnet 64 are respectively attached as shown in FIG. 22 (22B). , B 3 which is a combined magnetic field of magnetic field B 1 generated by X-direction electromagnet 63 and B 2 generated by Y-direction electromagnet 64 by flowing currents 70 and 71 having a phase difference and periodically changing. The film formation position can be scanned two-dimensionally by controlling the direction and angle of the plasma flow by changing the direction and strength with time. As for the crossing current (periodic current), a sine wave or a triangular wave can be used relatively easily, but more practically, an arbitrary waveform generator, computer control / It is desirable to freely control the waveform by sequence control. It is also possible to change the period of the periodic current flowing through the X direction coil and the Y direction coil. In order to suppress the diffusion of the plasma flow, an electromagnetic coil for applying a translation (Z direction, plasma flow traveling direction) magnetic field 66 may be provided in the scanner unit.

図23は、本発明に係るバイアス電圧印加の方法を説明するための模式配線図である。電源504により陽極にバイアス電圧を付加すると、1〜25%プラズマ輸送効率が向上し、成膜速度を増加させることができる。更に、共通輸送ダクト10等のプラズマ輸送経路を介してプラズマ処理部1までプラズマを効率的に輸送するためには、図23に示すように、スキャナー装置18、共通輸送ダクト10及び第2プラズマ導入路23(又は第1プラズマ導入路22)に、それぞれバイアス電源503、502、501によるバイアス電圧を印加するのがよい。バイアス電圧は、−30V〜+30Vが好ましく、特にプラズマ電位と同じ電圧、つまり、+10V〜+20V、殊に+15V±3Vが好適な場合が多い。プラズマ輸送ダクト系統に好適なバイアス電圧を印加すると、プラズマ輸送効率および成膜速度が数倍改善される。プラズマ輸送ダクトにバイアスを印加するためには、成膜チャンバとプラズマ輸送ダクト(スキャナー部も含む)とが個々に絶縁されていなければならない。第1プラズマ発生部2の真空チャンバ自体を陽極とする場合にも適用することができる。   FIG. 23 is a schematic wiring diagram for explaining a bias voltage application method according to the present invention. When a bias voltage is applied to the anode by the power source 504, the plasma transport efficiency is improved by 1 to 25%, and the film formation rate can be increased. Further, in order to efficiently transport the plasma to the plasma processing unit 1 through the plasma transport path such as the common transport duct 10, the scanner device 18, the common transport duct 10, and the second plasma introduction as shown in FIG. A bias voltage from the bias power sources 503, 502, and 501 may be applied to the path 23 (or the first plasma introduction path 22), respectively. The bias voltage is preferably −30 V to +30 V, and in particular, the same voltage as the plasma potential, that is, +10 V to +20 V, particularly +15 V ± 3 V is often suitable. When a suitable bias voltage is applied to the plasma transport duct system, the plasma transport efficiency and the deposition rate are improved several times. In order to apply a bias to the plasma transport duct, the film forming chamber and the plasma transport duct (including the scanner section) must be individually insulated. The present invention can also be applied to the case where the vacuum chamber itself of the first plasma generation unit 2 is used as an anode.

陽極をバイアスした場合、見掛け上陽極の抵抗が向上するため、プラズマを維持している電流は他の流れ易い領域へ流れようとする。この場合、流れ易い場所は接地電位であるプラズマ処理部1の成膜チャンバであるため、プラズマの成膜チャンバへの輸送効率が改善されることになる。陽極バイアス電圧は0V〜10Vが適切であり、より好ましくは、0.5V〜5Vである。   When the anode is biased, the resistance of the anode is apparently improved, so that the current maintaining the plasma tends to flow to another region where it easily flows. In this case, since the place where it easily flows is the film forming chamber of the plasma processing unit 1 at the ground potential, the efficiency of transporting the plasma to the film forming chamber is improved. The anode bias voltage is suitably 0V to 10V, more preferably 0.5V to 5V.

図24は、本発明に係るバイアス電圧印加の別な方法を説明するための模式配線図である。以下、図23で説明した部材については、説明を省略する。図に示すように、陽極12と直列に抵抗又は電源からなるバイアス装置500が接続されている。このバイアス装置500によって第1プラズマ発生部2(又は第2プラズマ発生部3)の陽極12にバイアス電圧を付加すると、プラズマの輸送効率を更に向上させることができる。前記バイアス装置500が抵抗である場合、その抵抗値は0Ω〜0.2Ω程度が適切であり、より好ましくは、0.005Ω〜0.1Ωである。真空アークの陽極表面は刻々と堆積物が堆積するため、表面抵抗が刻々と変化する。従って、抵抗値を外部制御できる電子負荷を用いるのもよい。   FIG. 24 is a schematic wiring diagram for explaining another method of bias voltage application according to the present invention. Hereinafter, description of the members described in FIG. 23 is omitted. As shown in the figure, a bias device 500 comprising a resistor or a power source is connected in series with the anode 12. When a bias voltage is applied to the anode 12 of the first plasma generation unit 2 (or the second plasma generation unit 3) by the bias device 500, the plasma transport efficiency can be further improved. When the bias device 500 is a resistor, the resistance value is appropriately about 0Ω to 0.2Ω, and more preferably 0.005Ω to 0.1Ω. Since deposits accumulate on the anode surface of the vacuum arc, the surface resistance changes every moment. Therefore, an electronic load that can externally control the resistance value may be used.

図25は、本発明に係るバイアス電圧印加の更に別な方法を説明するための模式配線図である。この図には、第1プラズマ発生部2の真空チャンバ600自体を陽極とし、電源504によるバイアス電圧によりプラズマ輸送ダクトバイアスおよび陽極バイアスを印加する方式の一例の配線図が示されている。プラズマ輸送ダクトとスキャナー部を絶縁し、それぞれ異なるバイアス電圧を印加しても良い。つまり、各位置のプラズマの状態に従って、対応する位置のバイアス電圧を変えても良い。印加するバイアス電圧は,各位置でのプラズマ電位とほぼ等しい電圧を印加するのが好適である。プラズマ輸送方向に従って、更に細分したバイアスを印加するカスケードバイアスを行ってもよい。   FIG. 25 is a schematic wiring diagram for explaining still another method of bias voltage application according to the present invention. This figure shows a wiring diagram of an example of a system in which the vacuum chamber 600 itself of the first plasma generation unit 2 is used as an anode, and a plasma transport duct bias and an anode bias are applied by a bias voltage from a power source 504. The plasma transport duct and the scanner unit may be insulated and different bias voltages may be applied. That is, the bias voltage at the corresponding position may be changed according to the plasma state at each position. It is preferable to apply a voltage substantially equal to the plasma potential at each position as the bias voltage to be applied. A cascade bias in which a further subdivided bias is applied in accordance with the plasma transport direction may be performed.

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。   The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and includes various modifications and design changes within the technical scope without departing from the technical idea of the present invention. Needless to say.

本発明に係るプラズマ表面処理方法及びプラズマ処理装置は、主として工業用に用いられるプラズマ加工装置に適用でき、金属製又は非金属製の被処理物表面に被膜を形成することができる。従って、金属、半導体、絶縁体、DLC膜等の単一膜や積層膜、又は複数の物質から形成される混合膜・合金膜、セラミック膜又は化合物半導体膜等の成膜を単一の加工装置で行えるプラズマ表面処理方法及びプラズマ処理装置を実現することができる。更に、複数のプラズマ発生源をコンパクトに配設し簡素化されたプラズマ加工装置を提供することができる。また、少なくとも真空アークプラズマによる膜を含む積層多層膜・混合膜等の形成を円滑に行うことができると共に、高純度のプラズマを用いて、被処理物に対して高性能、高純度被覆膜を形成することができる。また、ドロップレットを除去した、高純度のプラズマを用いて、被処理物に対して高性能、高純度被覆膜を形成するプラズマ加工装置を実現することができる。   The plasma surface treatment method and the plasma treatment apparatus according to the present invention can be applied to a plasma processing apparatus mainly used for industrial purposes, and can form a film on the surface of a metal or non-metal workpiece. Therefore, a single processing apparatus for forming a single film or laminated film such as a metal, a semiconductor, an insulator, a DLC film, or a mixed film / alloy film, a ceramic film or a compound semiconductor film formed from a plurality of substances. A plasma surface treatment method and a plasma treatment apparatus can be realized. Furthermore, a simplified plasma processing apparatus can be provided by arranging a plurality of plasma generation sources in a compact manner. In addition, it is possible to smoothly form a multilayer multilayer film / mixed film including a film by at least vacuum arc plasma, and to use a high-purity plasma to perform a high-performance, high-purity coating film on an object to be processed. Can be formed. In addition, it is possible to realize a plasma processing apparatus that forms a high-performance, high-purity coating film on an object to be processed using high-purity plasma from which droplets have been removed.

更に、固体から直接プラズマを得るプラズマ発生手段、固体を蒸発させてプラズマを得るプラズマ発生手段、気体又は気化あるいはミスト化した液体によりプラズマを得るプラズマ発生手段などから選択された手段と真空アークプラズマにより、各種成膜仕様に応じた高純度の単一膜、混合膜、積層膜の成膜を行うプラズマ加工装置を提供することができる。また、膜厚や層構成等の種々の膜仕様・条件に応じた成膜制御を簡易に行う多層成膜形成用プラズマ加工装置を提供することができる。更に、ドロップレットの除去効率やプラズマの輸送効率が高く、高純度のプラズマを用いて高速で成膜できる多層成膜形成用プラズマ加工装置を提供することができる。   Further, by means of a plasma generation means for obtaining plasma directly from a solid, a plasma generation means for obtaining plasma by evaporating a solid, a plasma generation means for obtaining plasma with a gas or a vaporized or misted liquid, and a vacuum arc plasma. In addition, it is possible to provide a plasma processing apparatus for forming a high-purity single film, mixed film, or laminated film according to various film formation specifications. In addition, it is possible to provide a plasma processing apparatus for multilayer film formation that easily performs film formation control in accordance with various film specifications and conditions such as film thickness and layer configuration. Furthermore, it is possible to provide a plasma processing apparatus for forming a multilayer film, which has high droplet removal efficiency and plasma transport efficiency and can form a film at high speed using high-purity plasma.

本発明に係る目的物は、金属膜、合金膜、半導体膜、絶縁体膜、もしくはDLC膜等の非金属膜などから形成される高性能膜、もしくは種々の膜から構成される高性能積層膜を具備し、好適な耐磨耗性、耐熱性、耐食性、耐酸化性、導電性、耐久性等が付与された種々の工業製品として用いることができる。より具体的には、半導体用配線膜、硬質金属切削工具、軟質金属切削工具、ドライ切削用工具、高速切削用工具などの種々の切削工具、樹脂成形金型、半導体成形金型、焼結体・セラミック成形金型、離型性要求金型、プレス金型などの金型、機械部品、摺動部品、撥水要求部品、耐食要求部品など、種々の製造装置、製品及びそれらの構成部材として用いることができる。   The object according to the present invention is a high-performance film formed from a metal film, an alloy film, a semiconductor film, an insulator film, a non-metal film such as a DLC film, or the like, or a high-performance laminated film composed of various films And can be used as various industrial products to which suitable wear resistance, heat resistance, corrosion resistance, oxidation resistance, conductivity, durability, and the like are imparted. More specifically, various cutting tools such as semiconductor wiring films, hard metal cutting tools, soft metal cutting tools, dry cutting tools, high-speed cutting tools, resin molding dies, semiconductor molding dies, sintered bodies・ Various manufacturing equipment, products, and their components, such as ceramic molds, molds requiring releasability, press molds, mechanical parts, sliding parts, water-repellent parts, corrosion-resistant parts, etc. Can be used.

本発明に係るプラズマ処理装置の断面構成図である。It is a section lineblock diagram of a plasma treatment apparatus concerning the present invention. 共通輸送ダクトの周辺のY字状プラズマ輸送ダクト構成図である。It is a Y-shaped plasma transport duct block diagram around a common transport duct. 拡径部を設ける場合と、拡径部を設けない場合を比較するための図である。It is a figure for comparing the case where an enlarged diameter part is provided, and the case where an enlarged diameter part is not provided. 共通輸送ダクト、第1プラズマ導入路及び第2プラズマ導入路の略Y字状接続状態におけるプラズマ流の方向及び3次元ダクトY字状接続例を示す図である。It is a figure which shows the direction of the plasma flow in the substantially Y-shaped connection state of a common transport duct, a 1st plasma introduction path, and a 2nd plasma introduction path, and a 3-dimensional duct Y-shaped connection example. ミキサーコイルによる回転磁場付与部を示す図である。It is a figure which shows the rotating magnetic field provision part by a mixer coil. 第1の回転磁界コイル及び第2の回転磁界コイルに供給する交播電流の波形図である。It is a wave form diagram of cross seeding current supplied to the 1st rotating field coil and the 2nd rotating field coil. ミキサー装置部のコイル配置図である。It is a coil arrangement | positioning figure of a mixer apparatus part. 図7との比較例(ミキサーコイルを持たない場合)を示す図である。It is a figure which shows the comparative example (when not having a mixer coil) with FIG. 図7の場合に利用する交播電流の波形図である。FIG. 8 is a waveform diagram of a crossing current used in the case of FIG. 7. 図7のミキサー機能を有する共通輸送ダクトを用いた成膜実験結果を示す図である。It is a figure which shows the film-forming experiment result using the common transport duct which has a mixer function of FIG. 比較例として示すプラズマ処理装置の断面構成図である。It is a cross-sectional block diagram of the plasma processing apparatus shown as a comparative example. 比較例として示す、他のプラズマ処理装置の断面構成図である。It is a cross-sectional block diagram of the other plasma processing apparatus shown as a comparative example. 本発明に係るプラズマ処理装置を用いて、ワークに施した成膜例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the film-forming example given to the workpiece | work using the plasma processing apparatus which concerns on this invention. 図12の成膜プロセスのタイミングチャートである。It is a timing chart of the film-forming process of FIG. 遷移混合膜及び境界層を形成する成膜例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the film-forming example which forms a transition mixed film and a boundary layer. 図14の成膜プロセスのタイミングチャートである。It is a timing chart of the film-forming process of FIG. 本発明に使用するプラズマ発生方法を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the plasma generation method used for this invention. 本発明に使用する、他のプラズマ発生方法を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the other plasma generation method used for this invention. 本発明に使用する、更に他のプラズマ発生方法を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the further another plasma generation method used for this invention. 本発明に使用する、更に別のプラズマ発生方法を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating another plasma generation method used for this invention. 本発明に係るスキャナー装置の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a scanner device according to the present invention. 本発明に係るスキャナー装置に用いる駆動電流の波形の例である。It is an example of the waveform of the drive current used for the scanner apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るバイアス電圧印加の方法を説明するための模式配線図である。It is a schematic wiring diagram for demonstrating the method of bias voltage application which concerns on this invention. 本発明に係るバイアス電圧印加の別な方法を説明するための模式配線図である。It is a schematic wiring diagram for demonstrating another method of the bias voltage application which concerns on this invention. 本発明に係るバイアス電圧印加の更に別な方法を説明するための模式配線図である。It is a schematic wiring diagram for demonstrating another method of the bias voltage application which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 プラズマ処理部
2 第1プラズマ発生部
3 第2プラズマ発生部
4 真空チャンバ(成膜チャンバ)
5 圧力計及び真空制御系開閉装置
6 処理用ガスの導入制御系開閉装置
7 ワーク配設テーブル
8 真空排気口
9 プラズマ輸送経路
10 共通輸送ダクト
12 陽極
13 陰極
14 陽極
15 陰極
16 第1プラズマ
16a プラズマ流
17 第2プラズマ
17a プラズマ流17a
18 スキャナー装置
19 拡径部
19A 回転磁場付与部
19B 同軸並進用コイル
20 ガイドコイル部(電磁コイル)
21 ミキサーコイル(電磁コイル)
22 第1プラズマ導入路
23 第2プラズマ導入路
24 アーク安定化磁界発生器(電磁コイルまたは永久磁石)
25 第1プラズマ引き出し用コイル(電磁コイル)
26 ガイドコイル(電磁コイル)
27 収束コイル(電磁コイル)
27A 収束コイル部(電磁コイル)
28 スキャナーコイル(電磁コイル)
29 補正コイル(電磁コイル)
30 アーク安定化磁界発生器(電磁コイルまたは永久磁石)
31 引き出し用コイル(電磁コイル)
32 オリフィス
33 矢印
34 プラズマ導入口
35 Y字形輸送路
36 矢印
37 矢印
38 バッフル
40 第1プラズマ
41 第2プラズマ
42 合流プラズマ
43 合流プラズマ
44 第3プラズマ
45 第4プラズマ
46 合流プラズマ
50 合流プラズマ
51 プラズマ流径
53 プラズマ流径
53A 混合プラズマ
53B プラズマ
54 第1の回転磁界コイル(電磁コイル)
55 第1の回転磁界コイル(電磁コイル)
56 第2の回転磁界コイル(電磁コイル)
57 第2の回転磁界コイル(電磁コイル)
58 プラズマ
59 混合プラズマ
63 X方向電磁石(電磁コイル)
64 Y方向電磁石(電磁コイル)
65 交播磁界
66 並進用(Z方向用)磁界
67 偏向プラズマ流
70 電流
71 電流
72 電流
80 抵抗蒸発源
81 蒸発用ボート
82 蒸発材料
83 容量結合プラズマ源電極
84 電子ビーム蒸発源
85 電子ビーム
86 蒸発ターゲット
87 誘導結合プラズマ源コイル
90 高圧パルス電流源
91 ターゲット材
92 永久磁石
93 誘導結合プラズマ源コイル
94 スパッタターゲット
95 永久磁石
96 スパッタ蒸発源
97 スパッタ蒸発源
100 成膜チャンバ
101 第1プラズマ発生部
102 第2プラズマ発生部
103 陰極
104 陽極
105 安定化電磁コイル(又は永久磁石)
108 ドロップレット
109 ドロップレット
200 成膜チャンバ
201 第2プラズマ発生部
202 第1プラズマ発生部
203 第2プラズマ
204 第1プラズマ
205 プラズマ輸送コイル(電磁コイル)
206 ドロップレット
207 ドロップレット
208 T字形状プラズマ輸送ダクト
209 トーラス型プラズマ磁気輸送ダクト
300 プラズマ発生部
301 プラズマ発生部
302 チャンバ
303 導入管部
500 バイアス装置(抵抗または電源)
501 バイアス電源
502 バイアス電源
503 バイアス電源
504 電源
a 矢印
b 矢印
A1 範囲
A2 矢印
B 磁界
Br 回転磁界
Bz 磁界
磁界
磁界
磁界
B1 第1輸送ダクト部
B2 第2輸送ダクト部
B3 共通輸送ダクト部
C1 プラズマ輸送路
C2 プラズマ輸送路
C3 第1のプラズマ導入路
D1 プラズマ輸送路
D2 プラズマ輸送路
D3 第2のプラズマ導入路
E 共通輸送ダクト
L1 生成膜
L2 生成膜
L3 遷移混合膜
L4 生成膜
L5 生成膜
L6 遷移混合膜
L7 遷移混合膜
L8 生成膜
L9 生成膜
L10 生成膜
L11 生成膜
R1 交播電流
R2 交播電流
R3 交番電流
W ワーク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Plasma processing part 2 1st plasma generation part 3 2nd plasma generation part 4 Vacuum chamber (deposition chamber)
5 Pressure gauge and vacuum control system switchgear 6 Processing gas introduction control system switchgear 7 Work arrangement table 8 Vacuum exhaust port 9 Plasma transport path 10 Common transport duct 12 Anode 13 Cathode 14 Anode 15 Cathode 16 First plasma 16 a Plasma Stream 17 Second plasma 17a Plasma stream 17a
18 Scanner device 19 Expanded diameter portion 19A Rotating magnetic field applying portion 19B Coaxial translation coil 20 Guide coil portion (electromagnetic coil)
21 Mixer coil (electromagnetic coil)
22 First plasma introduction path 23 Second plasma introduction path 24 Arc stabilizing magnetic field generator (electromagnetic coil or permanent magnet)
25 First plasma extraction coil (electromagnetic coil)
26 Guide coil (electromagnetic coil)
27 Convergence coil (electromagnetic coil)
27A Convergence coil (electromagnetic coil)
28 Scanner coil (electromagnetic coil)
29 Correction coil (electromagnetic coil)
30 Arc stabilizing magnetic field generator (electromagnetic coil or permanent magnet)
31 Drawer coil (electromagnetic coil)
32 Orifice 33 Arrow 34 Plasma inlet 35 Y-shaped transport path 36 Arrow 37 Arrow 38 Baffle 40 First plasma 41 Second plasma 42 Merged plasma 43 Merged plasma 44 Third plasma 45 Fourth plasma 46 Merged plasma 50 Merged plasma 51 Plasma flow Diameter 53 Plasma flow diameter 53A Mixed plasma 53B Plasma 54 First rotating magnetic field coil (electromagnetic coil)
55 First rotating field coil (electromagnetic coil)
56 Second rotating field coil (electromagnetic coil)
57 Second rotating field coil (electromagnetic coil)
58 Plasma 59 Mixed plasma 63 X direction electromagnet (electromagnetic coil)
64 Y-direction electromagnet (electromagnetic coil)
65 Cross-spreading magnetic field 66 Translation (Z-direction) magnetic field 67 Deflection plasma flow 70 Current 71 Current 72 Current 80 Resistance evaporation source 81 Evaporation boat 82 Evaporation material 83 Capacitive coupling plasma source electrode 84 Electron beam evaporation source 85 Electron beam 86 Evaporation Target 87 Inductively coupled plasma source coil 90 High voltage pulse current source 91 Target material 92 Permanent magnet 93 Inductively coupled plasma source coil 94 Sputter target 95 Permanent magnet 96 Sputter evaporation source 97 Sputter evaporation source 100 Deposition chamber 101 First plasma generation unit 102 2 Plasma generator 103 Cathode 104 Anode 105 Stabilized electromagnetic coil (or permanent magnet)
108 droplet 109 droplet 200 deposition chamber 201 second plasma generator 202 first plasma generator 203 second plasma 204 first plasma 205 plasma transport coil (electromagnetic coil)
206 Droplet 207 Droplet 208 T-shaped plasma transport duct 209 Torus type plasma magnetic transport duct 300 Plasma generation section 301 Plasma generation section 302 Chamber 303 Introduction pipe section 500 Bias device (resistance or power supply)
501 Bias power supply 502 Bias power supply 503 Bias power supply 504 Power supply a Arrow b Arrow A1 Range A2 Arrow B Magnetic field Br Rotating magnetic field Bz Magnetic field B 1 Magnetic field B 2 Magnetic field B 3 Magnetic field B1 First transport duct part B2 Second transport duct part B3 Common transport Duct section C1 Plasma transport path C2 Plasma transport path C3 First plasma introduction path D1 Plasma transport path D2 Plasma transport path D3 Second plasma introduction path E Common transport duct L1 Generation film L2 Generation film L3 Transition mixed film L4 Generation film L5 Generated film L6 Transition mixed film L7 Transition mixed film L8 Generated film L9 Generated film L10 Generated film L11 Generated film R1 Cross seeding current R2 Cross seeding current R3 Alternating current W Work

Claims (17)

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第1プラズマを発生させ、固体・液体をプラズマ源として又は気体をプラズマ作動ガスとして第2プラズマを発生させ、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを共通輸送ダクトの輸送方向に対して鋭角に合流するように電磁気的に導入した後、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを前記共通輸送ダクトを経由してプラズマ処理部に電磁気的に誘導し、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを前記共通輸送ダクトに導入するタイミングを制御して、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマにより前記プラズマ処理部内の被処理物を表面処理加工することを特徴とするプラズマ表面処理方法。   A first plasma is generated by performing a vacuum arc discharge in an arc discharge section set in a vacuum atmosphere, a second plasma is generated using a solid / liquid as a plasma source or a gas as a plasma working gas, and the first plasma and After the second plasma is electromagnetically introduced so as to merge at an acute angle with respect to the transport direction of the common transport duct, the first plasma and the second plasma are electromagnetically transmitted to the plasma processing unit via the common transport duct. And controlling the timing of introducing the first plasma and the second plasma into the common transport duct, and subjecting the object to be processed in the plasma processing unit to a surface treatment by the first plasma and the second plasma. A plasma surface treatment method comprising: 固体・液体をプラズマ源として又は気体をプラズマ作動ガスとしてプラズマを発生させるプラズマ発生部において第1プラズマ、第2プラズマ、及び第3プラズマを発生させ、かつ、これらの第1〜第3プラズマのうち少なくとも1つが真空雰囲気下に設定されたアーク放電部における真空アーク放電に基づいて発生させたものであり、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ及び前記第3プラズマを共通輸送ダクトの輸送方向に対して鋭角に合流するように電磁気的に導入した後、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ及び前記第3プラズマを前記共通輸送ダクトを経由してプラズマ処理部に電磁気的に誘導し、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ及び前記第3プラズマを前記共通輸送ダクトに導入するタイミングを制御して、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ及び前記第3プラズマにより前記プラズマ処理部内の被処理物を表面処理加工することを特徴とするプラズマ表面処理方法。   A first plasma, a second plasma, and a third plasma are generated in a plasma generation unit that generates plasma using solid / liquid as a plasma source or gas as a plasma working gas, and of these first to third plasmas At least one is generated based on a vacuum arc discharge in an arc discharge section set in a vacuum atmosphere, and the first plasma, the second plasma, and the third plasma are generated in a transport direction of a common transport duct. And electromagnetically introducing the first plasma, the second plasma, and the third plasma to the plasma processing unit via the common transport duct, and introducing the first plasma, the second plasma, and the third plasma to the plasma processing unit. The timing of introducing the plasma, the second plasma, and the third plasma into the common transport duct is controlled to control the first program. Zuma, the second plasma and the plasma surface treatment method, which comprises surface treatment of the object to be processed in the plasma processing unit by said third plasma. 固体・液体をプラズマ源として又は気体をプラズマ作動ガスとしてプラズマを発生させるプラズマ発生部において第1プラズマ、第2プラズマ、第3プラズマ、及び第4プラズマを発生させ、かつ、これらの第1〜第4プラズマのうち少なくとも1つが真空雰囲気下に設定されたアーク放電部における真空アーク放電に基づいて発生させたものであり、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを合流させる第1のプラズマ導入路を介して、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを共通輸送ダクトの輸送方向に対して鋭角に合流するように電磁気的に導入し、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマを合流させる第2のプラズマ導入路を介して、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマを前記共通輸送ダクトの輸送方向に対して鋭角に合流するように電磁気的に導入した後、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマを前記共通輸送ダクトを経由してプラズマ処理部に電磁気的に誘導し、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマを前記共通輸送ダクトに導入するタイミングを制御して、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマにより前記プラズマ処理部内の被処理物を表面処理加工することを特徴とするプラズマ表面処理方法。   A first plasma, a second plasma, a third plasma, and a fourth plasma are generated in a plasma generation unit that generates plasma using solid / liquid as a plasma source or gas as a plasma working gas, and the first to second plasmas are generated. At least one of the four plasmas is generated based on vacuum arc discharge in an arc discharge section set in a vacuum atmosphere, and a first plasma introduction path for joining the first plasma and the second plasma is provided. And the second plasma that electromagnetically introduces the first plasma and the second plasma so as to merge at an acute angle with respect to the transport direction of the common transport duct, and joins the third plasma and the fourth plasma. Via the introduction path, the third plasma and the fourth plasma join at an acute angle with respect to the transport direction of the common transport duct. After the electromagnetic introduction, the first plasma, the second plasma, the third plasma, and the fourth plasma are electromagnetically induced to the plasma processing unit via the common transport duct, By controlling the timing of introducing the plasma, the second plasma, the third plasma, and the fourth plasma into the common transport duct, the first plasma, the second plasma, the third plasma, and the fourth plasma A plasma surface treatment method, comprising subjecting an object to be treated in the plasma treatment section to surface treatment. 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第1プラズマを発生させる第1プラズマ発生手段と、固体・液体をプラズマ源として又は気体をプラズマ作動ガスとして第2プラズマを発生させる第2プラズマ発生手段と、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを電磁気的に導入する共通輸送ダクトと、前記共通輸送ダクトを経由して電磁気的に導入された前記第1プラズマ及び前記第2プラズマにより被処理物を表面処理加工するプラズマ処理部と、前記第1プラズマ発生手段から前記第1プラズマを前記共通輸送ダクトへ電磁気的に導入する第1プラズマ導入路と、前記第2プラズマ発生手段から前記第2プラズマを前記共通輸送ダクトへ電磁気的に導入する第2プラズマ導入路と、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを前記共通輸送ダクトに導入するタイミングを制御する制御手段と、を有し、前記第1プラズマ導入路及び前記第2プラズマ導入路の、前記共通輸送ダクトの輸送方向に対する導入角度を鋭角に設定したことを特徴とするプラズマ処理装置。   A first plasma generating means for generating a first plasma by performing a vacuum arc discharge in an arc discharge section set in a vacuum atmosphere; and generating a second plasma using a solid / liquid as a plasma source or a gas as a plasma working gas. A second plasma generating means; a common transport duct for electromagnetically introducing the first plasma and the second plasma; and the first plasma and the second plasma electromagnetically introduced via the common transport duct. A plasma processing unit for surface-treating an object to be processed, a first plasma introduction path for electromagnetically introducing the first plasma from the first plasma generation unit to the common transport duct, and a second plasma generation unit A second plasma introduction path for electromagnetically introducing the second plasma into the common transport duct; the first plasma; and the second plasma. Control means for controlling the timing of introducing zuma into the common transport duct, and setting the introduction angle of the first plasma introduction path and the second plasma introduction path with respect to the transport direction of the common transport duct to an acute angle A plasma processing apparatus characterized by that. 固体・液体をプラズマ源として又は気体をプラズマ作動ガスとしてプラズマを発生させる第1〜第3プラズマ発生手段において、それぞれ第1プラズマ、第2プラズマ、及び第3プラズマを発生させ、かつ、これらの第1〜第3プラズマ発生手段のうち、少なくとも第1プラズマ発生手段が真空雰囲気下に設定されたアーク放電部における真空アーク放電に基づくプラズマ発生手段からなる第1〜第3プラズマ発生手段と、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ、及び前記第3プラズマを電磁気的に導入する共通輸送ダクトと、前記共通輸送ダクトを経由して電磁気的に導入された前記第1プラズマ、前記第2プラズマ、及び前記第3プラズマにより被処理物を表面処理加工するプラズマ処理部と、前記第1プラズマ発生手段から前記第1プラズマを前記共通輸送ダクトへ電磁気的に導入する第1プラズマ導入路と、前記第2のプラズマ発生手段から前記第2プラズマを前記共通輸送ダクトへ電磁気的に導入する第2プラズマ導入路と、前記第3プラズマ発生手段から前記第3プラズマを前記共通輸送ダクトへ電磁気的に導入する第3プラズマ導入路と、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ及び前記第3プラズマを前記共通輸送ダクトに導入するタイミングを制御する制御手段と、を有し、前記第1プラズマ導入路、前記第2プラズマ導入路及び前記第3プラズマ導入路の、前記共通輸送ダクトの輸送方向に対する導入角度を鋭角に設定したことを特徴とするプラズマ処理装置。   In the first to third plasma generation means for generating plasma using solid / liquid as a plasma source or gas as a plasma working gas, the first plasma, the second plasma, and the third plasma are generated, respectively. Of the first to third plasma generation means, at least the first plasma generation means comprises first to third plasma generation means comprising plasma generation means based on vacuum arc discharge in an arc discharge section set in a vacuum atmosphere; A common transport duct for electromagnetically introducing one plasma, the second plasma, and the third plasma; the first plasma, the second plasma, and the electromagnetically introduced via the common transport duct; A plasma processing unit for surface-treating the object to be processed with a third plasma; A first plasma introduction path for electromagnetically introducing a zuma into the common transport duct; a second plasma introduction path for electromagnetically introducing the second plasma from the second plasma generating means into the common transport duct; A third plasma introduction path for electromagnetically introducing the third plasma from the third plasma generating means into the common transport duct; and introducing the first plasma, the second plasma, and the third plasma into the common transport duct. Control means for controlling timing, and the introduction angle of the first plasma introduction path, the second plasma introduction path, and the third plasma introduction path with respect to the transport direction of the common transport duct is set to an acute angle. A plasma processing apparatus. 固体・液体をプラズマ源として又は気体をプラズマ作動ガスとしてプラズマを発生させる第1〜第4プラズマ発生手段において、それぞれ第1プラズマ、第2プラズマ、第3プラズマ、及び第4プラズマを発生させ、かつ、これらの第1〜第4プラズマ発生手段のうち、少なくとも第1プラズマ発生手段が真空雰囲気下に設定されたアーク放電部における真空アーク放電に基づくプラズマ発生手段からなる第1〜第4プラズマ発生手段と、前記第1プラズマ及び前記第2プラズマを合流させる第1のプラズマ導入路と、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマを合流させる第2のプラズマ導入路と、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマを導入する共通輸送ダクトと、前記共通輸送ダクトを経由して導入された前記第1プラズマ、前記第2プラズマ、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマにより被処理物を表面処理加工するプラズマ処理部と、前記第1プラズマ、前記第2プラズマ、前記第3プラズマ及び前記第4プラズマを前記共通輸送ダクトに導入するタイミングを制御する制御手段とを有し、前記第1のプラズマ導入路及び前記第2のプラズマ導入路の、前記共通輸送ダクトの輸送方向に対する導入角度を鋭角に設定したことを特徴とするプラズマ処理装置。   In the first to fourth plasma generating means for generating plasma using solid / liquid as a plasma source or gas as a plasma working gas, respectively, a first plasma, a second plasma, a third plasma, and a fourth plasma are generated, and Of these first to fourth plasma generating means, first to fourth plasma generating means comprising plasma generating means based on vacuum arc discharge in an arc discharge section in which at least the first plasma generating means is set in a vacuum atmosphere. A first plasma introduction path for joining the first plasma and the second plasma, a second plasma introduction path for joining the third plasma and the fourth plasma, the first plasma, and the second plasma A common transport duct for introducing plasma, the third plasma, and the fourth plasma, and the common transport duct A plasma processing unit for surface-treating an object to be processed by the first plasma, the second plasma, the third plasma, and the fourth plasma, and the first plasma, the second plasma, and the third plasma. And control means for controlling the timing of introducing the fourth plasma into the common transport duct, and introducing the first plasma introduction path and the second plasma introduction path in the transport direction of the common transport duct. A plasma processing apparatus characterized in that the angle is set to an acute angle. 前記第1プラズマ導入路、前記第2プラズマ導入路及び前記共通輸送ダクトが平面上に投影したとき略Y字形をなす請求項4に記載のプラズマ処理装置。   The plasma processing apparatus according to claim 4, wherein the first plasma introduction path, the second plasma introduction path, and the common transport duct form a substantially Y shape when projected onto a plane. 前記制御手段は前記各プラズマ導入路から前記共通輸送ダクトへのプラズマの導入を同時に、あるいは時間的に別々に、又は部分的に同時に行うタイミングで制御する請求項4〜7のいずれかに記載のプラズマ処理装置。   8. The control unit according to claim 4, wherein the control unit controls the introduction of plasma from the respective plasma introduction paths to the common transport duct at the same time, separately in time, or partially simultaneously. Plasma processing equipment. 前記第1プラズマに含有される前記アーク放電部の陰極から発生する陰極材料粒子(以後、ドロップレットという)が前記第1プラズマの進行方向に進行することを阻止する阻止部材を前記第1プラズマ導入路及び/又は前記共通輸送ダクトの内面又はその近傍に設けた請求項4〜8のいずれかに記載のプラズマ処理装置。   Introducing the first plasma includes a blocking member that prevents cathode material particles (hereinafter referred to as droplets) generated from the cathode of the arc discharge portion contained in the first plasma from traveling in the traveling direction of the first plasma. The plasma processing apparatus according to any one of claims 4 to 8, provided on a road and / or an inner surface of the common transport duct or in the vicinity thereof. 前記各プラズマ導入路から前記共通輸送ダクトに導入されたプラズマを混合するための回転磁界を発生する回転磁界発生手段を前記共通輸送ダクトに設けた請求項4〜9のいずれかに記載のプラズマ処理装置。   The plasma processing according to any one of claims 4 to 9, wherein a rotating magnetic field generating means for generating a rotating magnetic field for mixing the plasma introduced into the common transport duct from each plasma introduction path is provided in the common transport duct. apparatus. 固体から直接プラズマを得るプラズマ発生方法により前記第2プラズマを発生させる請求項4〜10のいずれかに記載のプラズマ処理装置。   The plasma processing apparatus according to any one of claims 4 to 10, wherein the second plasma is generated by a plasma generation method for obtaining plasma directly from a solid. 固体を蒸発させてプラズマを得るプラズマ発生方法により前記第2プラズマを発生させる請求項4〜10のいずれかに記載のプラズマ処理装置。   The plasma processing apparatus according to claim 4, wherein the second plasma is generated by a plasma generation method for obtaining plasma by evaporating solids. 気体、又は気化あるいはミスト化した液体によりプラズマを得るプラズマ発生方法により前記第2プラズマを発生させる請求項4〜10のいずれかに記載のプラズマ処理装置。   The plasma processing apparatus according to any one of claims 4 to 10, wherein the second plasma is generated by a plasma generation method for obtaining plasma by gas or vaporized or misted liquid. 少なくとも1つのプラズマ発生手段及び/又は前記共通輸送ダクトに、バイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段を有する請求項4〜13のいずれかに記載のプラズマ処理装置。   The plasma processing apparatus according to claim 4, further comprising bias voltage applying means for applying a bias voltage to at least one plasma generating means and / or the common transport duct. 少なくとも1つのプラズマ発生手段の陽極を電気的にバイアスするバイアス手段を有する請求項4〜14のいずれかに記載のプラズマ処理装置。   The plasma processing apparatus according to claim 4, further comprising bias means for electrically biasing an anode of at least one plasma generation means. 前記共通輸送ダクトの最終部のプラズマ進行方向をz軸方向、垂直な平面をxy平面とし、前記共通輸送ダクトに、プラズマをx方向及び/又はy方向に走査する偏向コイルを配設した請求項4〜15のいずれかに記載のプラズマ処理装置。   The plasma traveling direction of the last part of the common transport duct is a z-axis direction, a vertical plane is an xy plane, and a deflection coil for scanning the plasma in the x direction and / or the y direction is disposed in the common transport duct. The plasma processing apparatus in any one of 4-15. 請求項4〜16のいずれかに記載のプラズマ処理装置により発生されたプラズマを用いて前記プラズマ処理部内で表面処理加工されたことを特徴とする目的物。   The target object characterized by having been surface-treated in the said plasma processing part using the plasma generate | occur | produced by the plasma processing apparatus in any one of Claims 4-16.
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