JP2008248347A - プラズマガン周辺を電気的中性にしたプラズマ生成装置 - Google Patents

プラズマガン周辺を電気的中性にしたプラズマ生成装置 Download PDF

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Abstract

【課題】プラズマガンにおいて、真空アーク放電により発生させるプラズマの有効量を減退させることなく、プラズマに混入するドロップレットを効率的に除去でき、しかも簡易かつ安価にドロップレット除去部を構成でき、高純度プラズマによる成膜等の表面処理精度の向上を図ることのできるプラズマ生成装置を提供する。
【解決手段】プラズマガン陰極４０７の周辺は、外囲部材４２０によって包囲され、外囲部材４２０の内側には、ドロップレットを捕集する捕集部材４１１を複数個、多層状に構成したドロップレット除去装置４０６が設けられている。外囲部材４２０、捕集部材４１１及びプラズマ進行路４０２は、アーク電源４０９との接続関係がなく、電気的に中性の浮遊状態に保持されているプラズマ生成装置を提案する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、真空雰囲気下に設定されたアーク放電部で真空アーク放電を行ってプラズマを発生させ、プラズマの発生時に陰極から副生する陰極材料粒子（以下、「ドロップレット」という）を除去するドロップレット除去部を備えたプラズマ生成装置に関する。
一般に、プラズマ中で固体材料の表面に薄膜を形成したり、イオンを注入することにより、固体の表面特性が改善されることが知られている。金属イオンや非金属イオンを含むプラズマを利用して形成した膜は、固体表面の耐磨耗性・耐食性を強化し、保護膜、光学薄膜、透明導電性膜などとして有用なものである。特に、カーボンプラズマを利用した炭素膜はダイヤモンド構造とグラファイト構造のアモルファス混晶からなるダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜という）として利用価値が高い。
金属イオンや非金属イオンを含むプラズマを発生する方法として、真空アークプラズマ法がある。真空アークプラズマは、陰極と陽極の間に生起するアーク放電で形成され、陰極表面上に存在する陰極点から陰極材料が蒸発し、この陰極蒸発物質により形成されるプラズマである。また、雰囲気ガスとして反応性ガス又は／及び不活性ガス（希ガスという）を導入した場合には、反応性ガス又は／及び不活性ガスも同時にイオン化される。このようなプラズマを用いて、固体表面への薄膜形成やイオンの注入を行って表面処理を行うことができる。
一般に、真空アーク放電では、陰極点から陰極材料イオン、電子、陰極材料中性粒子（原子及び分子）といった真空アークプラズマ構成粒子が放出されると同時に、サブミクロン以下から数百ミクロン（０．０１〜１０００μｍ）の大きさのドロップレットと称される陰極材料微粒子も放出される。しかし、成膜等の表面処理において問題となるのはドロップレットの発生である。このドロップレットが被処理物表面に付着すると、被処理物表面に形成される薄膜の均一性が失われ、薄膜の欠陥品となる。
ドロップレットの問題を解決する一方法として、磁気フィルタ法（P.J. Martin, R.P. Netterfield and T.J. Kinder, Thin Solid Films 193/194 (1990)77）（非特許文献１）がある。この磁気フィルタ法は、真空アークプラズマを湾曲したドロップレット捕集ダクトを通して処理部に輸送するものである。この方法によれば、発生したドロップレットは、ダクト内周壁に付着捕獲（捕集）され、ダクト出口ではドロップレットをほとんど含まないプラズマ流が得られる。また、ダクトに沿って配置された磁石により湾曲磁場を形成し、この湾曲磁場によりプラズマ流を屈曲させ、プラズマを効率的にプラズマ加工部に誘導するように構成されている。
特開２００２−８８９３号公報（特許文献１）にはドロップレット捕集部を有するプラズマ加工装置が開示されている。図１３は、従来のプラズマ加工装置の構成概略図である。プラズマ発生部１０２では、陰極１０４とトリガ電極１０６の間に電気スパークを生起し、陰極１０４と陽極１０８の間に真空アークを発生させてプラズマ１０９が生成される。プラズマ発生部１０２には、電気スパーク及び真空アーク放電を発生するための電源１１０が接続され、プラズマ１０９を安定化させるプラズマ安定化磁場発生器１１６ａ、１１６ｂが配設されている。プラズマ１０９はプラズマ発生部１０２からプラズマ加工部１１２に誘導され、プラズマ加工部１１２に配置された被処理物１１４が前記プラズマ１０９により表面処理される。また、プラズマ加工部１１２に接続されるガス導入システムＧｔにより必要に応じて反応性ガスが導入され、ガス排気システムＧｈにより反応ガスやプラズマ流が排気される。
プラズマ発生部１０２から放出されるプラズマ１０９は、磁場によりプラズマ発生部１０２と対面しない方向に屈曲され、プラズマ加工部１１２に流入される。プラズマ発生部１０２と対面する位置には、プラズマ１０９の発生時に陰極から副生される陰極材料微粒子（ドロップレット）１１８が捕集されるドロップレット捕集部１２０が配設されている。従って、磁場の影響を受けないドロップレット１１８がドロップレット捕集部１２０に進行して捕集され、ドロップレット１１８がプラズマ加工部１１２内に進入することが防止される。
特開２００２−８８９３号公報 P.J. Martin, R.P. Netterfield and T.J. Kinder, Thin Solid Films 193/194 (1990)77
図１３の従来のプラズマ加工装置では、前記磁場の影響を受けないドロップレット１１８がドロップレット捕集部１２０に捕集されるが、プラズマ１０９との相互作用などにより電荷が付与された帯電ドロップレットが磁場によりプラズマ加工部１１２に誘導される場合があった。更に、ドロップレット捕集部１２０に捕集されない、粒径の小さなドロップレットがプラズマ流に随伴してプラズマ加工部１１２に誘導されていた。従って、捕集されずにプラズマ流に混入した帯電ドロップレットや微小なドロップレット等のドロップレットが被処理物表面に付着するため、被処理物表面に対する薄膜形成や表面改質の均一性が失われ、被処理物の表面特性を低下させるといった問題を生じていた。
また、非特許文献１に記載の磁気フィルタ法においても、前述のように、湾曲磁場によりプラズマ流を屈曲させ、プラズマを効率的にプラズマ加工部に移動させるものであるから、プラズマ流に混入する帯電ドロップレットや微小なドロップレットが除去されずにプラズマ加工部に誘導され、被処理物表面に衝突又は付着することを防止できなかった。
最近のプラズマ成膜技術においては、種々の材料を用いた成膜が行われているが、成膜装置による平滑性等の成膜精度の向上が求められている。上述のように、ドロップレット付着が成膜精度に強く影響することから、プラズマ生成装置におけるドロップレット除去効率の向上が必要とされている。また、図１３のように、ドロップレット除去用磁場発生装置等を多く設置すると、装置の複雑化を生じ、しかも装置や成膜処理費用のコストアップを招来する問題があった。
本発明者らは、真空アーク放電によるプラズマ生成装置におけるドロップレット除去に関する試験結果から、プラズマ流通路の内壁にリブ（突起状部材）を配置することにより、プラズマ中に含有されるドロップレットを前記リブに衝突、吸収させて回収できるという知見を得るに至った。さらに、本発明者らの知見に基づき、前記プラズマ発生部には、ドロップレットがより多く飛散していることから、前記プラズマ発生部内にリブを配置すれば、効率的なドロップレット除去が行える可能性があることに着目した。
図１２は、プラズマ発生部内に捕集部材として複数個のリブ３０３を多層状に配置したプラズマ生成装置を示す。プラズマ発生部は、陰極３０４、トリガ電極３０６及びハウジング３０９からなるプラズマガンと、アーク電源３０７を備え、導電性材料からなるハウジング３０９が接続ケーブル３１０を介してアーク電源３０７に接続されることにより陽極となる。前記ハウジング３０９は、プラズマ流通路３０２と連結され、前記プラズマガンより発生するプラズマ３０８がプラズマ流通路３０２を通じてプラズマ加工部３０１に導入され、プラズマ被処理物３００に照射されるように構成される共に、前記ハウジング３０９の内壁には複数個のリブ３０３を取り付けられている。リブ３０３は、陰極３０４と同一の導電性材料から形成されることが好ましく、プラズマの生成時にリブ３０３の温度が上昇してイオンが熱放出されても、プラズマの純度を保持することができる。
しかしながら、前記プラズマガンの外壁を構成するハウジング３０９の内壁にリブ３０３を配置したプラズマ生成装置には、以下の問題があった。陰極３０４とハウジング３０９からなる陽極との間で真空アーク放電によりプラズマ３０８を発生させ、プラズマ加工部３０１側に放出させる。前述のように、リブ３０３は、陰極３０４と同一の導電性材料から形成されるから、ハウジング３０９及びリブ３０３は互いに電気的に導通し、リブ３０３がプラス電位になっていた。即ち、ハウジング３０９が陽極となることにより、前記リブによりドロップレット除去効果は得られるものの、陰極３０４において発生したプラズマ３０８中の電子の多くが陰極３０４と近距離にある前記リブ３０３に引き寄せられ、その結果、リブと陰極３０４との間において放電が誘発された。このような放電が起きるとエネルギー損失となるため、また、放電安定性が損なわれるため、陰極３０４から発生するプラズマ量が低減するという問題があった。
従って、本発明の目的は、前記プラズマガンにおいて、真空アーク放電により発生させるプラズマの有効量を減退させることなく、プラズマに混入するドロップレットを効率的に除去でき、しかも簡易かつ安価にドロップレット除去部を構成でき、高純度プラズマによる成膜等の表面処理精度の向上を図ることのできるプラズマ生成装置を提供することである。
本発明は、上記課題を解決するために提案されたものであって、本発明の第１の形態は、真空雰囲気下にある陰極と陽極の間に真空アーク放電によりプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部により発生されたプラズマが被プラズマ処理部側に進行するプラズマ進行路とを備えたプラズマ生成装置において、前記プラズマ発生部は、前記陰極の周辺を包囲する外囲部材を有し、前記外囲部材の内側には、プラズマの発生時に前記陰極から副生される陰極材料粒子（以下「ドロップレット」という）を捕集する捕集部材が配置され、少なくとも前記捕集部材及び前記外囲部材が電気的に中性の浮遊状態に保持されるプラズマ生成装置である。
本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、複数個の前記捕集部材が、前記陰極の周囲に、前記プラズマの進行方向に沿って、前記外囲部材の内側に多層状に配置されたプラズマ生成装置である。
本発明の第３の形態は、前記第２の形態において、前記捕集部材は、前記プラズマを流通させる中空部を穿設した環状部材からなり、同一形状の前記環状部材を複数個、多層状に配置したプラズマ生成装置である。
本発明の第４の形態は、前記第２の形態において、複数個の前記捕集部材は、前記中空部の大きさが異なる環状部材を含み、前記プラズマの進行方向に沿って、各中空部の大きさが漸次、拡大するように、複数個の前記環状部材を多層状に配置したプラズマ生成装置である。
本発明の第５の形態は、前記第１〜第４のいずれかの形態において、前記プラズマ進行路を形成するダクト部が電気的に中性の浮遊状態に設定されるプラズマ生成装置である。
本発明の第６の形態は、前記第１〜第５のいずれかの形態において、前記陽極が、前記外囲部材と電気的に絶縁されて配設される環状電極であり、前記環状電極の内径がプラズマの進行方向に沿って縮小するプラズマ生成装置である。
本発明の第７の形態は、前記第１〜第６のいずれかの形態において、前記ドロップレットを除去するドロップレット除去部を前記プラズマ進行路に配置し、前記ドロップレット除去部が、拡径管と、前記拡径管のプラズマ導入側始端に連接された導入側縮径管と、前記拡径管のプラズマ排出側終端に連接された排出側縮径管と、前記拡径管の前記始端及び前記終端に形成された段差部とから構成されるプラズマ生成装置である。
本発明の第８の形態は、前記第７の形態において、前記導入側縮径管及び／又は前記排出側縮径管の管軸を前記拡径管の管軸に対して所定屈曲角で傾斜配置させ、前記導入側縮径管及び／又は前記排出側縮径管を前記拡径管に連接したプラズマ生成装置である。
本発明の第９の形態は、前記第７又は第８の形態において、前記導入側縮径管及び前記排出側縮径管の管軸が前記拡径管に対して互いに交差するように配置したプラズマ生成装置である。
本発明の第１０の形態は、前記第７、第８又は第９の形態において、前記プラズマ進行路は、前記プラズマ発生部に連接された直進管を有し、前記導入側縮径管を前記直進管に対して垂直又はほぼ垂直に連接し、前記直進管の終端にドロップレット捕集部を配設したプラズマ生成装置である。
本発明の第１１の形態は、前記第７〜第１０のいずれかの形態において、前記拡径管は、内周管と外周管からなり、前記内周管を前記外周管に対して挿脱自在にしたプラズマ生成装置である。
本発明の第１２の形態は、前記第１１の形態において、前記内周管の内壁に複数のドロップレット捕集板が植設されたプラズマ生成装置である。
本発明の第１３の形態は、前記第１２の形態において、前記ドロップレット捕集板の表面が粗面加工を施されているプラズマ生成装置である。
本発明の第１４の形態は、前記第１２の形態において、前記ドロップレット捕集板を前記導入側縮径管に向けて斜行配置したプラズマ生成装置である。
本発明の第１５の形態は、前記第７〜第１４のいずれかの形態において、前記導入側縮径管及び前記排出側縮径管にドロップレット捕集用アパーチャーを配設したプラズマ生成装置である。
本発明の第１６の形態は、前記第５〜第１３のいずれかの形態において、複数の前記拡径管を、縮径管を介して連接したプラズマ生成装置である。
本発明の第１７の形態は、前記第７〜第１６のいずれかの形態において、前記導入側縮径管と前記拡径管と前記排出側縮径管は、前記プラズマ発生部及び前記被プラズマ処理部と電気的に絶縁されているプラズマ生成装置である。
本発明の第１８の形態は、前記第７〜第１７のいずれかの形態において、前記導入側縮径管と前記拡径管と前記排出側縮径管を少なくとも含む前記ダクト部内にプローブを挿入するか、又は前記ダクト部をプローブとして利用してプラズマの物性量を測定するプラズマ生成装置である。
本発明の第１９の形態は、前記第１〜第１８のいずれかの形態において、前記プラズマ進行路の有効全長、直径、屈曲数及び屈曲角の総和のいずれかひとつ又はその組み合わせがドロップレット低減条件を満足するように設定されたプラズマ生成装置である。
本発明の第２０の形態は、前記第１９の形態において、前記有効全長が１６００〜９００ｍｍで設定されたプラズマ生成装置である。
本発明の第２１の形態は、前記第１９の形態において、前記直径が２００〜９０ｍｍで設定されたプラズマ生成装置である。
本発明の第２２の形態は、前記第１９の形態において、前記屈曲数が３〜１で設定されたプラズマ生成装置である。
本発明の第２３の形態は、前記第１９の形態において、前記屈曲角の総和が１５０〜９０°で設定されたプラズマ生成装置である。
本発明の第２４の形態は、前記第１〜第２３のいずれかの形態において、前記プラズマ発生部におけるアーク電流値が１４０〜３０Ａの範囲で調整されたプラズマ生成装置である。
本発明の第１の形態によれば、前記プラズマ発生部が前記陰極の周辺を包囲する外囲部材を有し、前記外囲部材の内側には、前記陰極から副生されるドロップレットを捕集する捕集部材が配置され、少なくとも前記外囲部材及び記捕集部材が電気的に中性の浮遊状態に保持されるから、前記外囲部材や前記捕集部材に前記プラズマが衝突して、プラズマの輸送効率が低下することを抑制することができる。更に、前記陰極周辺に飛散する前記ドロップレットを高効率に前記捕集部材に衝突させて付着させ、除去することができる。換言すれば、前記捕集部材によるドロップレット回収の際に放電現象は発生せず、エネルギー損失は生じない。これにより、所謂プラズマガンに近接して前記捕集部材を設置できるため、高効率でドロップレット除去を行え、高純度かつ高エネルギーのプラズマを前記プラズマ進行路に送出することができる。
前記捕集部材（「回収部材」とも称す）は、電気的に中性の浮遊状態に保持されている為、陽極と同一の材料から形成することができる。また、前記捕集部材が陰極と同一の材料から形成される場合、プラズマ生成時に前記捕集部材の温度が上昇して、その表面からイオンが熱放出されても、プラズマ中のイオンと同一物質であることから、プラズマの純度を保持することができる。例えば、陰極が炭素材料からなる場合、前記捕集部材が同じ炭素素材で形成されるならば、もし何らかの異常放電が前記捕集部材部分に起きた場合でも同じ炭素がイオン化され、プラズマ被処理物にプラズマと一緒に搬送・成膜されても不純物とならない。しかし、生成物以外の捕集部材を使用した場合は不純物となる。尚、前記捕集部材は、陰極や陽極材料と異なる物質から形成されても良く、導電性物質（Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｕ材料又はステンレス等）や非導電性物質（セラミックス等）を問わず最適な材料を選択することができる。
また、前記プラズマ進行路にバイアス電圧が印加される場合においても、前記外囲部材が絶縁体を介して前記プラズマ進行路の始端と連結されることにより、前記外囲部材を電気的に中性な浮遊状態に保持することができる。但し、前記プラズマ進行路は、電気的に中性の浮遊状態に設定されることがより好ましく、前記プラズマ進行路におけるプラズマの減衰を抑制することができ、プラズマの搬送効率を増加させることができる。
本発明の第２の形態によれば、複数個の前記捕集部材が、前記陰極の周囲に、前記プラズマの進行方向に沿って、前記外囲部材の内側に多層状に配置されるので、ドロップレットの捕集可能面積が大きくなり、ドロップレット除去効率の向上を図ることができる。ドロップレットは、プラズマ進行方向側のみに直進するだけでなく、前記外囲部材内壁に衝突して後方に跳ね返って前記陰極周辺に飛散する場合もあるので、前記陰極の後方や側方にも配置するのが好ましい。即ち、後方も含めて陰極周辺全域に多層状に前記捕集部材を配置すれば、陰極の後方や側方にまで四散するドロップレットを捕集でき、跳ね返って前方に逆戻りしたドロップレットがプラズマ流に混入することを防止することができる。
本発明の第３の形態によれば、前記捕集部材は、前記プラズマを流通させる中空部を穿設した環状部材からなり、同一形状の前記環状部材を複数個、多層状に配置したので、例えば、中空リング状の捕集部材を複数個用いて、それぞれを所定間隔を置いて多層状に前記外囲部材内壁に設けることにより、ドロップレットの捕集可能面積を拡大化してドロップレット除去効率を向上させ、しかもドロップレットを高効率で除去した高純度プラズマを、各捕集部材の中空部を通じて円滑に前記プラズマ進行路側に送出することができる。
本発明の第４の形態によれば、複数個の前記捕集部材は、前記中空部の大きさが異なる環状部材を含み、前記プラズマの進行方向に沿って、各中空部の大きさが漸次、拡大するように、複数個の前記環状部材を多層状に配置したので、例えば、個々の捕集部材がリング状形態を備え、それぞれの中空部の大きさが漸次、拡大した複数個の捕集部材を用いて、各部材を中空部の大きさの順に、前記陰極前方のプラズマの進行空間に向けて、所定間隔を置いて多層状に前記外囲部材内壁に設けることにより、前記第３の形態と同様に、ドロップレット捕集可能な面積を拡大して、ドロップレット除去効率を向上させることができる。また、各リングの中空部が前記陰極から前方に向けて略逆円錐台形状に配列したプラズマ進行空間が形成されるので、ドロップレットを高効率で除去しながら、前記陰極から前方に向けて略コーン状に放射される発生プラズマが前記捕集部材に衝突する割合を低減でき、高純度プラズマを前記プラズマ進行空間を通じて円滑に進行させることが可能となり、発生プラズマの効率的利用を行うことができる。なお、本発明における捕集部材の形態は、前記リング形状に限らず、非環状形状物、例えば、舌片状形態や突起形態のものでもよく、非環状形状物の場合には前記外囲部材内壁に放射状に突設配置して用いる。
本発明の第５の形態によれば、前記プラズマ進行路を形成するダクト部が電気的に中性の浮遊状態に設定されるから、前記ダクト部の内面にプラズマが衝突してエネルギー損失が生じることにより、プラズマの輸送効率が低下することを抑制することができる。尚、プラズマ進行路とは、プラズマが誘導されるプラズマ発生部からプラズマ処理部（プラズマ加工部を含む）までの経路を意味している。一般的に、プラズマ進行路には、電磁相互作用によりプラズマを誘導する磁気発生器が１つ以上付設されたダクト部から構成され、ドロップレットの除去するフィルタ管として機能が付与されている。
本発明の第６の形態によれば、前記陽極が前記外囲部材と電気的に絶縁されて配設される環状電極であり、前記環状電極の内径がプラズマの進行方向に沿って縮小するから、発生したプラズマが高効率にプラズマ進行路へ誘導されると共に、アパーチャーとしての機能も有しており、ドロップレットがプラズマ進行路に進入することを抑制することができる。
本発明の第７の形態によれば、前記プラズマ進行路に配置したドロップレット除去部が拡径管と、前記拡径管のプラズマ導入側始端に連接された導入側縮径管と、前記拡径管のプラズマ排出側終端に連接された排出側縮径管と、前記拡径管の前記始端及び前記終端に形成された段差部とから構成されるので、前記導入側縮径管より前記拡径管内に導入されたプラズマ流が前記拡径管による前記プラズマ進行路の拡径作用により拡散される。そのプラズマ流の拡散により、プラズマに混入しているドロップレットも前記拡径管内に拡散するため、前記段差部付近及び前記拡径管の内側壁に衝突して付着、回収される。また、前記拡径管内のプラズマ流が排出されるときには、前記拡径管から前記排出側縮径管への縮径作用により、前記拡径管内壁面側に飛散したドロップレットが段差部に衝突して付着・回収され、プラズマ流に合流することが無くドロップレットの再混入を防ぐことができる。従って、前記段差部付近及び前記拡径管の内側壁にドロップレットを付着させて、十分に回収でき、前記プラズマ進行路においてドロップレットを効率的に除去することができる。また、拡径管と導入側縮径管及び／又は排出側縮径管の中心軸を合致させずに偏心させておけば、プラズマ流からドロップレットが分離しやすくなり、ドロップレットの捕集効果が一層高まる。しかも、前記プラズマ進行路に前記拡径管を形成するだけで、簡易かつ安価にドロップレット除去部を構成でき、更にドロップレット除去効率の向上により得られる高純度プラズマを用いて成膜等の表面処理精度を向上させ、被処理物表面の表面改質や形成膜の均一性を格段に向上させることができる。
尚、前記拡径管には、この拡径管の断面周方向に回転磁場を発生させる回転磁場印加手段を配置することができ、前記回転磁場により前記ドロップレット混合プラズマを回転させながら進行させ、遠心力により帯電ドロップレットや微小なドロップレットを分離することができる。
前記導入側縮径管及び／又は前記排出側縮径管の管軸を前記拡径管の管軸に沿って屈曲させずに線状に配置しても、前記拡径管を用いた前記プラズマ進行路の拡径作用及び縮径作用により、前記拡径管内に拡散されたドロップレットを効率的に回収、除去することが可能である。しかし、本発明の第８の形態によれば、前記導入側縮径管及び／又は前記排出側縮径管の管軸を前記拡径管の管軸に対して所定屈曲角で傾斜配置させ、前記導入側縮径管及び／又は前記排出側縮径管を前記拡径管に連接したので、プラズマ進行路の屈曲により、ドロップレットは直進してプラズマ流から分離し、前記拡径管の内壁面及び／又は前記排出側縮径管の内壁面に衝突させて付着、回収できる。前記拡径管の内壁で吸着されずに反射したものは段差部に衝突して付着回収でき、ドロップレットの効率的な除去が可能になる。前記プラズマ進行路の屈曲部は、導入側のみ、排出側のみ、又は導入側と排出側の両者に設けることができる。従って、プラズマ流に混入したドロップレットを高効率に分離することができ、高純度化されたプラズマ流を前記排出側縮径管より排出させて、ドロップレット除去効率の向上を図ることができる。また、導入側縮径管と拡径管の管軸を偏心させたり、排出側縮径管と拡径管の管軸を偏心させることにより、管軸合致させた場合よりドロップレット回収効率が高まることは前述した通りである。
前記導入側縮径管及び前記排出側縮径管の管軸方向を互いに平行又はほぼ平行にする平行配置の場合には、前記拡径管内を流通するプラズマ流の中心付近に混入したドロップレットを分離できずに前記排出側縮径管を通過させ、被プラズマ処理部側まで流通させてしまうおそれがある。しかし、本発明の第９の形態によれば、前記導入側縮径管及び前記排出側縮径管の管軸が前記拡径管に対して互いに交差するように配置したので、前記導入側縮径管に対して交差する向きの前記排出側縮径管内壁に、前記拡径管より排出されたプラズマ流が衝突し、蛇行しながら前記排出側縮径管内を流通していく。従って、前記段差部付近及び前記拡径管の内側壁に衝突させてドロップレットを付着、回収した後、プラズマ流の中心付近に混入したドロップレットが前記拡径管より排出されても、ドロップレットが直進して前記排出側縮径管内壁に衝突し、付着し、回収されるので、より高効率にドロップレットを除去することができる。
本発明の第１０の形態によれば、前記プラズマ進行路は、前記プラズマ発生部に連接された直進管を有し、前記導入側縮径管を前記直進管に対して垂直又はほぼ垂直に連接し、前記直進管の終端にドロップレット捕集部を配設したので、前記プラズマ発生部において発生されたドロップレットの一部は前記直進管に沿って直進し、前記ドロップレット捕集部に捕集され回収される。従って、前記直進管に対して垂直又はほぼ垂直に連接された前記導入側縮径管には、プラズマ進行路の屈曲作用により、ドロップレットの一部が除去されたプラズマ流が流入するため、本発明に係るプラズマ進行路におけるドロップレット除去部によるドロップレット除去との相乗効果により、ドロップレットの高効率除去が可能となる。
プラズマ進行路にドロップレット除去部を設置する場合には、内壁に付着したドロップレットの剥離回収による清掃を必要とするが、清掃時にはプラズマ進行路の分解等を伴い、プラズマ生成装置の稼動効率が低下するおそれを生じる。そこで、本発明の第１１の形態によれば、前記拡径管において前記内周管を前記外周管に対して挿脱自在にしたので、ドロップレットで汚染された前記内周管を随時、交換可能にすることができ、ドロップレット清掃作業性が向上し、プラズマ生成装置の稼動効率を低下させずに、プラズマ生成処理を円滑に行うことができる。前記内周管の内面には多数のドロップレット捕集板が形成され、内周管を抜き出してドロップレット捕集板の清掃・修理が容易になる。内周管を絶縁リング等の絶縁材を介して外周管に固定すれば、内周管と外周管は電気的に絶縁される。
本発明の第１２の形態によれば、前記内周管の内壁に複数のドロップレット捕集板が植設されているので、前記拡径管内でのドロップレット付着表面積を多くして、飛散ドロップレットを大量かつ確実に付着、回収でき、プラズマ流の高純度化を実現することができる。更に、複数のドロップレット捕集板が設けられることにより、ドロップレットがドロップレット捕集板の間で繰返し反射されて、そのエネルギーが失われるから、より確実にドロップレットを捕集することができる。
プラズマ進行路において、前記第１２の形態に係るドロップレット捕集板を多数個設置すれば、ドロップレット除去面積を増大することができるが、進行路形状や内径等の形態条件によって、設置数に限界を生じるといった課題を生じる。この課題に関して、本発明者は、鋭意検討した結果、前記ドロップレット捕集板の表面に粗面加工を施すことにより、この粗面にドロップレットが付着し易くなり、ドロップレットの捕集率の向上を図ることが出来る点に着目した。即ち、本発明の第１３の形態によれば、前記ドロップレット捕集板の表面が粗面加工を施されているので、前記ドロップレット捕集板の捕集面積の増大と付着強度が増大して、捕集効率が向上しドロップレット除去効率の向上に寄与することができる。
前記ドロップレット捕集板を前記内周管の内壁に対し管軸に直交するように植設しても捕集効果はあるが、本発明の第１４の形態によれば、前記ドロップレット捕集板を前記導入側縮径管に向けて斜行配置したので、ドロップレット捕集板間でドロップレットの再反射捕集確率が増加して逃散するドロップレットが少なくなり、また前記拡径管内に流入するドロップレットを受ける面積が多くなり、前記ドロップレット捕集板の捕集効率が向上しドロップレット除去効率の向上により一層寄与することができる。
本発明の第１５の形態によれば、前記導入側縮径管及び前記排出側縮径管にドロップレット捕集用アパーチャーを配設したので、例えば、プラズマ進行路の管径を縮小し、あるいは偏心により開口形状を変形させるアパーチャーを用いて、プラズマ進行路の始端及び終端において直進するドロップレットを捕集してドロップレット除去効率の向上に寄与する。
本発明の第１６の形態によれば、複数の前記拡径管を、縮径管を介して連接したので、複数段階に亘ってドロップレットを除去することができ、高純度のプラズマ流を生成することができる。この場合に、拡径管と拡径管の管軸を偏心させればドロップレット捕集効率が上がることは前述した通りである。
本発明の第１７の形態によれば、前記導入側縮径管と前記拡径管と前記排出側縮径管は、前記プラズマ発生部及び前記被プラズマ処理部と電気的に絶縁される。前記導入側縮径管と前記拡径管と前記排出側縮径管に電圧が印加される場合においても、前記導入側縮径管及び前記排出側縮径管が絶縁体を介して前記プラズマ進行路と連結されることにより、前記プラズマ進行路のダクト部が電気的に中性な浮遊状態に保持される同時に、前記プラズマ発生部及び前記被プラズマ処理部と電気的に絶縁される。拡径管の内部に絶縁材を介して内周管を挿入する場合には、内周管は他のダクト部と電気的に浮動(浮遊)状態になるが、この場合でも内周管はダクト部を構成する。被プラズマ処理部とは、プラズマ処理物を表面処理する加工部のことである。ダクト部の始端側とプラズマ発生部の間に絶縁用プレートを介装し、ダクト部の終端側と被プラズマ処理部の間に絶縁用プレートを介装するだけで、電気絶縁が達成される。この電気絶縁により、ダクト部（プラズマ搬送部）を電気的に浮動させることが可能になる。通常、プラズマ発生部は高電位に設定され、被プラズマ処理部は接地されるから、前記電気絶縁により、ダクト部は高電位及びＧＮＤと離れた浮動状態に保持できる。この電気的浮動性により、プラズマに対する電磁的作用が消去され、プラズマの搬送効率に対する影響が無くなり、ダクト部の全長が長くなってもダクト部におけるプラズマ量及びプラズマ密度の低下を抑制でき、プラズマ搬送効率の低下を防止できる。
本発明の第１８の形態によれば、前記導入側縮径管と前記拡径管と前記排出側縮径管を少なくとも含むプラズマ搬送用のダクト部内にプローブを挿入してプラズマの物性量を測定することができる。プラズマ物性量とは、イオン密度、電子密度、プラズマ移動速度、プラズマ温度などのプラズマパラメータである。ダクト部内に前記プローブを挿入すると、プラズマ流に擾乱を起こす場合があり、極力擾乱を起こしにくいプローブの大きさに調整される。挿入されるプローブの個数は１本、２本など種々に選択できる。この擾乱を避けるために、前記プローブを挿入せずに、ダクト部自体をプローブとして利用することができる。前記プローブ又はプローブとして利用されるダクト部に印加される電位の極性は＋又は−が選択され、その電位強度も種々に調整される。また、プラズマは導電性を有するから、このプラズマと接触するダクト部にはプラズマ電位が印加される。従って、外部電圧を全く印加せずに、ダクト部とＧＮＤの間の電圧を計測することにより、前記ダクト部に印加されるプラズマ電位からプラズマパラメータを測定することができる。プローブから出力される波形や波高などの値が前記プラズマパラメータと直接対応する場合もあり、また所定の計算によりプラズマパラメータを導出することもできる。プローブ計測において適用される技術的手段は、プラズマの状態に応じて調節できることは云うまでもない。
本発明の完成に至る経緯において、本発明者は、ドロップレット低減条件の目標を達成するには、前記プラズマ進行路の有効全長、直径、屈曲数及び屈曲角の総和のいずれかひとつ又はその組み合わせ等の形態因子が有効要素となるという知見を得た。そこで、本発明の第１９の形態によれば、前記プラズマ進行路の有効全長、直径、屈曲数及び屈曲角の総和のいずれかひとつ又はその組み合わせがドロップレット低減条件を満足するように設定されているので、前記プラズマ進行路に設置した前記ドロップレット除去部のドロップレット除去効果を一層向上させることができる。
本発明の第２０の形態によれば、前記有効要素のひとつである前記有効全長が１６００〜９００ｍｍで設定されることにより、前記プラズマ進行路に設置した前記ドロップレット除去部のドロップレット除去効果を一層向上させることができる。
本発明の第２１の形態によれば、前記有効要素のひとつである、前記直径が２００〜９０ｍｍで設定されることにより、前記プラズマ進行路に設置した前記ドロップレット除去部のドロップレット除去効果を一層向上させることができる。
本発明の第２２の形態によれば、前記有効要素のひとつである、前記屈曲数が３〜１で設定されることにより、前記プラズマ進行路に設置した前記ドロップレット除去部のドロップレット除去効果を一層向上させることができる。
本発明の第２３の形態によれば、前記有効要素のひとつである、前記屈曲角の総和が１５０〜９０°で設定されることにより、前記プラズマ進行路に設置した前記ドロップレット除去部のドロップレット除去効果を一層向上させることができる。
本発明者は、前記有効要素の形態因子とは別に、前記プラズマ発生部におけるアーク電流値もドロップレット除去に有効な要素になり得るといった知見を得た。即ち、本発明の第２４の形態によれば、前記プラズマ発生部におけるアーク電流値が１４０〜３０Ａの範囲で調整されることにより、前記プラズマ進行路に設置した前記ドロップレット除去部のドロップレット除去効果を一層向上させることができる。
以下、本発明に係るプラズマ生成装置の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。本発明において、被処理物を加工するプラズマ加工部（被プラズマ処理部）を付設した装置又はプラズマ加工部を付設しない装置の両方がプラズマ生成装置として包含される。プラズマ加工部を有するプラズマ生成装置は、プラズマ加工装置と称されてもよい。
図１は本発明に係るプラズマ生成装置の概略構成図である。図１に示すプラズマ生成装置は、真空雰囲気下において真空アーク放電によりプラズマを発生させるプラズマ発生部（プラズマガン）、プラズマ加工部４０１及びプラズマ進行路４０２から構成される。本件明細書において、プラズマ進行路４０２とは、プラズマが誘導されるプラズマ発生部（プラズマガン）からプラズマ加工部４０１までの経路を示しており、後述するように、プラズマ進行路４０２は、電磁相互作用によりプラズマを誘導する磁気発生器が１つ以上付設されたダクト部から構成され、ドロップレットの除去するフィルタ管として機能が付与されている。例えば、プラズマ進行路４０２は、プラズマが直進するように形成されても良いが、プラズマのみを誘導するような屈曲部が１箇所以上設けられることが好ましい。更に、プラズマ進行路４０２の屈曲部には、後述するように、直進するドロップレットを捕集することが可能なポケット状の捕集部が連接される。図１のプラズマ進行路４０２は、ドロップレットを除去するための構造等が具体的に記載されていないが、後述するように、プラズマ進行路４０２の構造や付設装置を目的に応じて適宜選択することができる。
プラズマ発生部は、陰極（カソード）４０７、トリガ電極４０８、陽極（アノード）４０５及びアーク電源４０９からなる。陰極４０７は、プラズマ構成物質の供給源であり、その形成材料は、導電性を有する固体なら特に限定されず、金属単体、合金、無機単体、無機化合物（金属酸化物・窒化物）等を単独又は２種以上混合して用いることができる。陽極４０５の形成材料は、プラズマ温度でも蒸発せず、非磁性の材料で導電性を有する固体なら特に限定されない。前記陽極４０５は、プラズマの進行方向に沿って縮径する環状の構造を有しており、アパーチャーとしての機能も有している。しかし、前記陽極４０５の形状は、プラズマ４０４の全体の進行を大幅に遮蔽するものでなければ、特に限定されない。
陰極４０７の周辺は、外囲部材４２０によって包囲されている。外囲部材４２０は、絶縁体４０３を介してプラズマ進行路４０２の始端４０２ａと連結されている。プラズマ進行路４０２の後端開口は、前記プラズマガンから発生されたプラズマ４０４を導入するために、プラズマ加工部４０１のプラズマ導入口に連結されている。プラズマ加工部４０１の内部には、プラズマ照射位置にプラズマ被処理物（図示せず）が設置されており、目的に応じたプラズマ処理を施すことができる。外囲部材４２０の内側には、プラズマの発生時に陰極４０７から副生されるドロップレットを捕集する捕集部材４１１を複数個、多層状に構成したドロップレット除去装置４０６が設けられている。更に、外囲部材４２０の終端部、進行路始端部４０２ａ若しくはそれらの連結部又はその近傍には、ドロップレット捕集用のアパーチャー４１７を設けられ、ドロップレットがプラズマ進行路４０２に進入することを抑制することができる。尚、アパーチャー４１７は、前記絶縁体４０３と一体形成されていても良く、より簡単にアパーチャー４１７を設置することができる。前記外囲部材４２０及び前記プラズマ進行路４０２（進行路始端部４０２ａを含む）は、アーク電源４０９との接続関係がなく、電気的に中性の浮遊状態に保持されている。また、前記プラズマ進行路４０２及び外囲部材４２０はＳＵＳ等の金属材料から形成され、陰極４０７が炭素物質から形成される場合、捕集部材４１１には、陰極４０７と同一物質からなるカーボングラファイト等の炭素材料が用いられる。
上記構成のプラズマ生成装置において、電気的に中性なドロップレットは、慣性力によって陰極４０７周辺に飛散し、外囲部材４２０に配置された各捕集部材４１１に衝突して、付着し回収される。このドロップレット回収の際、外囲部材４２０は、電気的に中性の浮遊状態に保持され、発生したプラズマ４０４中の電子は、外囲部材４２０側に引き寄せられることなく、陰極４０７から離間した陽極４０５側の進行路始端部４０２ａに移動する。従って、ドロップレット除去装置４０６によるドロップレット回収の際に放電現象は発生せず、エネルギー損失は生じない。これにより、前記プラズマガンに近接して捕集部材４１１を設置できるため、高効率でドロップレット除去を行え、高純度かつ高エネルギーのプラズマをプラズマ進行路４０２に送出することができる。
各捕集部材４１１は、プラズマを流通させる中空部を穿設した中空リング状の環状平板からなり、カーボングラファイト、ＳＵＳ等で構成されている。上記ドロップレット除去装置４０６は、複数個の同一形状の捕集部材４１１が所定間隔で配置され、多層状に集積した構造を備え、外囲部材４２０内周に着脱自在に取り付けられている。捕集部材４１１がドロップレット付着により汚れたときは、ドロップレット除去装置４０６を外囲部材４２０より抜き出して各捕集部材４１１を清掃することができる。
各捕集部材４１１は陰極４０７を包囲して、発生プラズマの進行方向に沿って、外囲部材４２０の内側に多層状に配置されているので、ドロップレットの捕集可能面積が大きくなり、ドロップレット除去効率の向上を図ることができる。ドロップレットは、プラズマ進行方向側のみに直進するだけでなく、外囲部材４２０内壁に衝突して後方に跳ね返って陰極４０７周辺に飛散する場合もあるので、陰極４０７の後方や側方にも捕集部材４１１を配置しており、陰極４０７の後方や側方にまで四散するドロップレットを捕集し、跳ね返って前方に逆戻りしたドロップレットがプラズマ流に混入することを防止している。なお、プラズマ進行路４０２内壁にもドロップレット除去用捕集部材を設置すれば、ドロップレット除去効果をより一層向上させることができる。
図２は本発明に係る別のプラズマ生成装置の概略構成図である。図２において、図１と同一部材については同じ符号付して説明を省略する。このプラズマ生成装置は、プラズマ発生部（プラズマガン）に対して略直角に屈曲形成されたプラズマ進行路４１２を備え、ドロップレット除去装置４１６が外囲部材４２０内周に着脱自在に取り付けられている。外囲部材４２０は、図１のプラズマ生成装置と同様に、絶縁体４０３を介してプラズマ進行路４１２の始端と連結されており、外囲部材４２０とプラズマ進行路４１２は、電気的に中性の浮遊状態に設定されている
上記ドロップレット除去装置４１６は、複数個の捕集部材Ａ１〜Ａ７、Ｂ１〜Ｂ９を所定間隔を置いて多層状に集積した構造を備え、外囲部材４２０内周に着脱自在に取り付けられている。各捕集部材は、プラズマを流通させる中空部を穿設した中空リング状の環状平板からなり、カーボングラファイト等の炭素材料又はＴｉ、Ｗ、ＳＵＳ等の金属材料から形成され、前述のように、陰極４０７と同一物質から形成されることが好ましい。各捕集部材はそれぞれの中空部の内径が異なる。陰極４０７前方に位置する捕集部材Ａ１〜Ａ７は、プラズマ４１４の進行方向に沿って、各中空部の大きさが漸次、拡大するように多層状に配置されている。また、陰極４０７の後方や側方にも捕集部材Ｂ１〜Ｂ９が陰極４０７を囲むように配置されており、陰極４０７の後方や側方にまで四散するドロップレットを捕集し、跳ね返って前方に逆戻りしたドロップレットがプラズマ流に混入することを防止している。尚、前記各捕集部材は電気的に中性な浮遊状態に保持されればよく、セラミック等の非導電性物質から形成される捕集部材を用いてもよい。
上記ドロップレット除去装置４１６においては、捕集部材Ａ１〜Ａ７を、各中空部の大きさの順に、陰極４０７前方のプラズマ進行空間に向けて、所定間隔を置いて多層状に外囲部材４２０内壁に設けているので、ドロップレット捕集可能な面積を拡大して、ドロップレット除去効率を向上させることができる。また、捕集部材Ａ１〜Ａ７の中空部が陰極４０７から前方に向けて略逆円錐台形状に配列されたプラズマ進行空間を形成する。従って、ドロップレットを高効率で除去しながら、陰極４０７から前方に向けて略コーン状に放射される発生プラズマ４１４が各捕集部材に無駄に衝突する割合を低減でき、高純度プラズマをプラズマ進行空間を通じて円滑に進行させることができ、プラズマの効率的利用を行うことができる。このドロップレット回収の際、図１のプラズマ生成装置と同様に、外囲部材４２０、捕集部材４１６とプラズマ進行路４１２は、電気的に中性の浮遊状態に保持されているので、放電現象は発生せず、エネルギー損失を生じない。
更に、プラズマ発生部において発生したドロップレット４１５は、電気的に中性であり、慣性力によって直進し、プラズマ発生部に対向して設けたドロップレット捕集部４１３に捕集されるので、プラズマ進行路４１２には、直進するドロップレット４１５をドロップレット捕集部４１３にて回収されたプラズマ４１４を導入することができる。また、ドロップレット捕集部４１３の内壁には、複数のドロップレット捕集板４１８が直進するドロップレット４１５に対し傾斜して配設されており、壁面で反射されてドロップレット４１５が再びプラズマ４１４中に混入することを防止することができる。従って、図２のプラズマ生成装置によれば、ドロップレット除去装置４１６により、陰極４０７周辺で飛散するドロップレットを除去するとともに、直進するドロップレット４１５をドロップレット捕集部４１３により捕集するので、これらのドロップレット除去の相乗効果により、より一層高純度のプラズマをプラズマ進行路４１２側に送出することができる。なお、高純度プラズマはプラズマ進行路４１２に設けた屈曲磁場発生器（図示せず）により磁気作用によりプラズマ加工部側に屈曲誘導される。
図３は本発明に係る、更に別のプラズマ生成装置の概略構成図である。図３に示すプラズマ生成装置１は、プラズマ発生部２、プラズマ加工部１２及びプラズマ進行路５から構成される。プラズマ進行路５には、プラズマの発生時に陰極４から副生するドロップレットを除去するドロップレット除去部が配置されている。このドロップレット除去部は、プラズマ進行路５を形成する拡径管３と、拡径管３のプラズマ導入側始端に連接された導入側縮径管３４と、拡径管３のプラズマ排出側終端に連接された排出側縮径管３９と、拡径管３の始端及び終端に形成された段差部４０とから構成される。導入側縮径管３４の前段には連結進行路７が連接されている。
プラズマ発生部２から前方に直進管４１が配設されており、この直進管４１から９０°の屈曲角θ１の主折曲部７ａを介して前記連結進行路７が設けられている。この連結進行路７の主折曲部７ａから前方に、前記直進管４１内にドロッレット進行路３２が形成されている。拡径管３と導入側縮径管３４とは導入折曲部７ｂを介して交差するように接続され、この実施例では前記導入折曲部７ｂの屈曲角θ２は３０°である。また、排出側縮径管３９と拡径管３との屈曲角θ３も３０°に設定され、屈曲角の総和θ（＝θ１＋θ２＋θ３）は１５０°になる。拡径管３は、内周管３６と外周管３５からなる。外周管３５はプラズマ流の進行に関与せず、内周管３６の保護部材であり、内周管３６は、絶縁リングなどの絶縁材４６を介して外周管３５内に取着され、内周管３６と外周管３５とは電気的に絶縁されている。内周管３６は絶縁材４６と一体に外周管３５より分離されて取り出される構成にあり、外周管３５に対して挿脱自在に取り付けられている。
プラズマ発生部２は、陰極４、トリガ電極６、陽極８、アーク電源１０、陰極プロテクタ２７、プラズマ安定化磁界発生器（電磁コイル若しくは磁石）１６を備え、陽極８は、アーク電源１０の＋電位に接続されている。陰極プロテクタ２７は、蒸発する陰極表面以外を電気絶縁し、陰極４と陽極８との間に発生するプラズマが後方に拡散することを防止するものである。プラズマ安定化磁界発生器１６は、プラズマ発生部２の外周に配置され、プラズマを安定化させる。プラズマに対する印加磁場が互いに逆方向（カスプ形）となるようにアーク安定化磁界発生器１６が配置された場合、プラズマはより安定化する。また、プラズマ発生部２と直進管４１の連結部には、アパーチャー４２が設けられている。更に、直進管４１から前方部は電気的に浮動状態にあり、プラズマがプラズマ進行路内で電気的な影響を受けないように構成されている。また、排出側縮径管３９とプラズマ加工部１２の間にも加工部側絶縁プレート４４が介装されている。その結果、直進管４１から排出側縮径管３９までのプラズマ搬送用のダクト部の全体が、電気的に浮動状態に設定され、プラズマのエネルギー損失が抑制される。
内周管３６には電源４８が接続され、内周管３６を＋電位に設定したり、−電位に設定することができ、前記プラズマパラメータをプローブすることが可能である。＋−のいずれを選択するかはプラズマ搬送効率を低下させない方向に選択され、プラズマの状態で判断される。電位強度も可変であり、通常は内周管３６を＋１５Ｖに設定することが搬送効率の観点から選ばれている。外周管３５にはプローブ電源４９が接続され、外周管３５と導通している前述したダクト部の電位が調節される。プラズマ自体はプラズマ電位を有しているため、ダクト部の電位は前記プローブ電位とプラズマ電位が重畳された合成電位になる。ダクト部とＧＮＤの間にオッシロスコープを接続すると、前記合成電位の波形が測定され、この波高値や周期などからプラズマパラメータが測定できる。プローブ電源を接続しない場合には、ダクト部の電位は前記プラズマ電位になり、ダクト部とＧＮＤの間にオッシロスコープを接続することによりプラズマ電位を計測することが可能である。プラズマ自体が導電性を有するから、ダクト部の電位がプラズマ電位を反映することから、上記内容が理解できる。
プラズマ発生部２では、陰極４とトリガ電極６の間に電気スパークを生起し、陰極４と陽極８の間に真空アークを発生させてプラズマが生成される。このプラズマの構成粒子は、前記陰極４からの蒸発物質、蒸発物質と反応ガスを起源とする荷電粒子（イオン、電子）と共に、プラズマ前状態の分子、原子の中性粒子を含む。また、プラズマ構成粒子が放出されると同時に、サブミクロン以下から数百ミクロン（０．０１〜１０００μｍ）サイズのドロップレット１８が放出される。このドロップレット１８は、プラズマ流との混合状態を形成し、ドロップレット混合プラズマ９としてプラズマ進行路７内を移動する。
プラズマ進行路５に配置したドロップレット除去部において、導入側縮径管３４より拡径管３内に導入されたプラズマ流が拡径管３によるプラズマ進行路の拡径作用により拡散される。そのプラズマ流９ｂは拡散するが、プラズマに混入しているドロップレットは直進するから拡径管３の管内壁面に衝突しながら拡径管３の内部に拡散する。この拡散によりプラズマ流の中心部分ではドロップレットが減少し、プラズマ流体の外周に多くドロップレットが分布する状態に遷移する。この分布変化により、段差部４０付近及び内周管３６の内壁面にドロップレット１８が衝突して付着、回収される。また、内周管３６内のプラズマ流が排出されるときには、内周管３６から排出側縮径管３９への縮径作用により、内周管３６内側壁側に飛散したドロップレットがプラズマ流９ｂに合流して再び混入することを防ぐことができる。排出折曲部７ｃから飛び出たドロップレット１８は直進して排出側縮径管３９の内壁面に衝突して回収されるが、プラズマ流９ｂは磁場により排出折曲部７ｃに沿って湾曲し、ドロップレット１８と分離される。その結果、プラズマ流９ｂから殆んどのドロップレット１８が分離捕集されるため、プラズマ加工部１２には純粋なプラズマ９ａが供給されることになる。従って、段差部４０付近及び内周管３６の内側壁にドロップレットを付着させて、十分に回収でき、プラズマ進行路５においてドロップレットを効率的に除去することができる。しかも、プラズマ進行路５に拡径管３を形成するだけで、簡易かつ安価にドロップレット除去部を構成でき、更にドロップレット除去効率の向上により得られる高純度プラズマをプラズマ加工部１２に導入して、成膜等の表面処理の加工精度を向上させ、被処理物表面の表面改質や形成膜の均一性を格段に向上させることができる。導入側縮径管３４及び排出側縮径管３９の内径は同じであり、これらに対するより拡径管３の内周管３６の拡径度合いは、前者に対して約１．２〜３倍程度であればよい。
陰極４の周辺は、外囲部材５００によって包囲されている。外囲部材５００は、絶縁体（図示せず）を介して直進管４１の始端と連結されており、直進管４１と電気的に導通していない。外囲部材５００の内側には、プラズマの発生時に陰極４から副生されるドロップレットを捕集する捕集部材５０１を複数個、多層状配置されている。捕集部材５０１は図１の捕集部材４１１と同様の構成にある。電気的に中性なドロップレットは、図１のプラズマ生成装置において説明したように、慣性力によって陰極４周辺に飛散し、外囲部材５００に配置された各捕集部材５０１に衝突して、付着し回収される。このドロップレット回収の際、外囲部材５００と直進管４１は、導通しておらず、電気的に中性の浮遊状態に保持されている。即ち、外囲部材５００は、陽極８と共に直進管４１とも絶縁されており、プラズマ中の電子は、外囲部材５００側に引き寄せられることなく、陰極４から離間した環状の陽極８を通過して直進管４１に移動する。従って、外囲部材５００に導通する捕集部材５０１と陰極４の間には放電現象が発生せず、エネルギー損失が抑制される。これにより、陰極４に近接して捕集部材５０１を設置できるため、高効率でドロップレット除去を行え、高純度かつ高エネルギーのプラズマを生成することができる。
拡径管３において内周管３６を外周管３５に対して挿脱自在にしているので、ドロップレットで汚染された内周管３６を随時、交換可能にすることができ、ドロップレット清掃作業性が向上し、プラズマ生成装置の稼動効率を低下させずに、プラズマ生成処理を円滑に行うことができる。
導入側縮径管３４及び排出側縮径管３９は、それぞれの管軸が拡径管３の管軸に対して所定屈曲角（θ２＋θ３＝６０°）で傾斜配置され、拡径管３に対するそれぞれの接合面は楕円形状になっている。これにより、導入側縮径管３４、排出側縮径管３９及び拡径管３による、屈曲型プラズマ進行路が形成されるので、拡径管３内で拡散されたドロップレットをより効率的に段差部４０付近及び拡径管３の内側壁に衝突させて付着、回収できる。従って、プラズマ流に混入したドロップレットを高効率に分離することができ、高純度化されたプラズマ流を前記排出側縮径管より排出させて、ドロップレット除去効率の向上を図ることができる。
本実施形態においては、導入側縮径管３４及び排出側縮径管３９の管軸を拡径管３の始端及び終端に対して同じ向きに連接した平行配置（θ２＝３０°、θ３＝３０°）の場合である。また、例えば排出側縮径管３９の管軸を拡径管３の管軸に対して逆方向に３０°で傾斜（θ３＝−３０°）させれば、導入側縮径管３４及び排出側縮径管３９の管軸を拡径管３の始端及び終端に対して互いに交差するような交差配置（θ２＝３０°、θ３＝−３０°）になるので、導入側縮径管３４に対して交差する向きの排出側縮径管３９内壁に、拡径管３より排出されたプラズマ流が衝突し、蛇行しながら排出側縮径管内を流通させることができる。従って、前記平行配置の場合に比較して、段差部４０付近及び内周管３６の内側壁に衝突させてドロップレットを付着、回収した後、プラズマ流の中心付近に混入したドロップレットが内周管３６より排出されても、ドロップレットが直進して排出側縮径管内壁３９に衝突し、付着回収されるので、より高効率にドロップレットを除去することができる。
図４はドロップレット捕集板３８を有する内周管３６の部分拡大断面図である。内周管３６の内壁には、複数枚のドロップレット捕集板３８が植設されている。ドロップレット捕集板３８の傾斜角αは１５〜９０°の範囲で設定されるが、経験的に３０〜６０°が好適であり、この実施例ではα＝４５°に設定されている。この傾斜角では、プラズマ流９ｂから分離されたドロップレット１８はドロップレット捕集板３８を図示する様に多重反射しながら確実に付着回収できる。
図５はドロップレット捕集板３８の構造の一部断面図であり、（５Ａ）はその部分断面図、（５Ｂ）は１枚のドロップレット捕集板３８の外観図である。複数枚のドロップレット捕集板３８により内周管３６内でのドロップレット付着表面積を多くして、飛散ドロップレットを大量かつ確実に付着、回収することができる。プラズマ進行路において、内周管３６の管長による制限によってドロップレット捕集板３８の設置枚数が制約されるので、ドロップレット除去面積を増大するために、ドロップレット捕集板３８の表面に粗面加工が施され、無数の凹凸を有した粗面３８ａが形成されている。ドロップレット捕集板３８の表面が粗面３８ａになっているから、ドロップレット捕集板３８の捕集面積が増大して、捕集効率が向上させることができる。また、凹部に衝突したドロップレット１８は凹部で確実に固着され、ドロップレット捕集効率が格段に増加する。粗面加工３８ａには、筋目加工や梨地加工を使用することができる。筋目加工方法としては、例えば、研磨紙による研磨処理を用いる。梨地加工方法には、例えば、アルミナ、ショット、グリッド、ガラスビーズ等によるブラスト処理を用い、特に、圧縮空気等により数ミクロン粒子を加速してノズル噴射させるマイクロブラスト加工が、ドロップレット捕集板３８の狭い表面に微細凹凸加工を施すことができる。
前述したようにドロップレット捕集板は重要であるから、ここで再記しておく。ドロップレット捕集板３８の捕集面は図５に示すように、内周管３６の内壁に対し約４５°傾斜している。従って、内周管３６にドロップレット捕集板３８を取り付けた状態においては、捕集面が導入側縮径管３４に向けて斜行配置されるので、内周管３６内に流入するドロップレットを受ける面積が多くなる。従って、ドロップレット捕集板３８の捕集効率の向上により、ドロップレット除去効率を一層高めることができる。また、約４５°傾斜させることにより、捕集したドロップレットが捕集面に衝突・反射し、再度捕集板より飛び出すことを防ぐことが出来る。導入側縮径管３４及び排出側縮径管３９にも同様の縮径管用ドロップレット捕集板３７が多数植設されている。この縮径管用ドロップレット捕集板３７は縮径管内面に対し９０°で直立配置されているが、前記ドロップレット捕集板１８と同様に適切な傾斜角で傾斜配置してもよいことは云うまでもない。また、連結進行管７及びドロップレット進行路３２の管壁内面にも多数のドロップレット捕集板３３が配設されているが、図示は省略している。これらのドロップレット捕集板３３の傾斜配置についても上述と同様である。
図３において、連結進行路７が連結された直進管３２には、第１磁場発生器２６、屈曲磁場発生器２８が配設され、また連結進行路７と導入側縮径管３４の外周には第２磁場発生器３０が配設されている。拡径管３の外周には直進磁場発生器２４が配置され、排出側縮径管３９の外周にも第３磁場発生器３１が配置されている。第１磁場発生器２６、第２磁場発生器３０、第３磁場発生器３１及び直進磁場発生器２４はプラズマを前進させるために設けられている。折曲部７ａに斜行配置された屈曲磁場発生器２８により屈曲磁場が印加され、プラズマ発生部２から放出されたドロップレット混合プラズマ９は、折曲部７ａで屈曲される。このとき、電気的に中性なドロップレット１８は、屈曲磁場の影響を受けず、慣性力によってドロップレット進行路３２を進行し、ドロップレット進行路３２の終端に設けたドロップレット捕集部２０に捕集される。従って、ドロップレット進行路３２に対して、連結進行路７を介して垂直又はほぼ垂直に連接された導入側縮径管３４には、プラズマ進行路の屈曲作用により、あらかじめドロップレットの一部が除去されたプラズマ流を流入させることができるため、上記プラズマ進行路５に設けたドロップレット除去部によるドロップレット除去との相乗効果により、ドロップレットの高効率除去が可能となる。また、導入側縮径管３４と排出側縮径管３９を拡径管３に対し傾斜配置することで、ドロップレット捕集効率を更に増加させることができる。
導入側縮径管３４は連結進行路７に対して僅かに縮径されており、この縮径作用によってもドロップレットの除去が行われるが、連結進行路７との連結部付近にドロップレット捕集用アパーチャー５０を配設している。排出側縮径管３９のプラズマ加工部１２側開口付近には、ドロップレット捕集用アパーチャー５１を配設している。アパーチャー５０、５１には、例えば、プラズマ進行路の管径を縮小し、あるいは偏心、もしくは縮小・偏心により開口形状を変形させる円板型アパーチャーを用いることができる。これらのアパーチャー５０、５１を設置することにより、プラズマ進行路の始端及び終端において直進するドロップレットを捕集してドロップレット除去効率の向上に寄与する。
上記構成に係るプラズマ生成装置１において、外囲部材５００に配置された捕集部材５０１、ドロップレット捕集部２０及びプラズマ進行路５のドロップレット除去部やアパーチャー５０、５１によりドロップレットが除去された高純度のプラズマ９ａは、排出側縮径管３９に配設された第３磁場発生器３１の磁場により誘導されて進行し、プラズマ加工部１２に導入され、被処理物１４の表面処理が行われる。従って、高純度プラズマにより被処理物表面に均一な表面改質を施したり、欠陥や不純物の少ない高品質の薄膜を形成することができる。
本発明者の得た知見によれば、ドロップレット低減条件の目標を達成するには、プラズマ進行路の有効全長、直径、屈曲数及び屈曲角の総和のいずれかひとつ又はその組み合わせ等の形態因子が有効要素となる。図６及び図７の（７Ａ）はこれらの形態因子についての有効性を検証した結果を示す。この検証においては、プラズマ進行路を全長に亘り同一径の管路で形成した。
図６はプラズマ進行路の有効全長Ｌ（ｍｍ）、直径Ｄ（ｍｍ）、屈曲数ＮＢとドロップレット除去率との相関関係を示すグラフである。図７の（７Ａ）は、プラズマ進行路の屈曲角の総和（＝θ１＋θ２＋θ３）とドロップレット除去率との相関関係を示すグラフである。図６における縦軸のＮは、単位面積（2.5inch×2.5inch）当たりの被処理物へのドロップレット付着数を示す。成膜速度が１０Ａ／sec（Ａ＝０．１ｎｍ）で、例えば１０ｎｍ膜の形成を行う場合に、Ｎ＜１００を、プラズマ加工部１２における表面処理能力の目標値として、つまりドロップレット低減条件の目標値と設定した。
図６から分かるように、有効全長が１６００〜９００ｍｍで設定されることにより、また管直径が２００〜９０ｍｍで設定されることにより、更に屈曲数が３〜１で設定されることにより、上記ドロップレット低減条件を満足させることができる。
図７の（７Ａ）における縦軸のＮ／Ｎ０は、直進プラズマ進行路のみの場合の被処理物へのドロップレット付着数Ｎ０との比較を示す。Ｎ／Ｎ０が１以下であればあるほど、プラズマ加工部１２における表面処理能力を高めることができるので、それをドロップレット低減条件の目標値と設定した。屈曲角はプラズマ流の進行に対しての管路が屈曲される角度である。（７Ａ）から分かるように、屈曲角の総和が１５０〜９０°で設定されることにより、上記ドロップレット低減条件を満足させることができる。
上記の検証結果から、プラズマ進行路の有効全長、直径、屈曲数及び屈曲角の総和のいずれかひとつ又はその組み合わせがドロップレット低減条件を満足するように設定されることにより、プラズマ進行路に設置したドロップレット除去部のドロップレット除去効果を一層向上させることができる。上記実施形態においては、プラズマ進行路の有効全長、直径、屈曲数及び屈曲角の総和をそれぞれ、１５００ｍｍ、２００ｍｍ、３（主折曲部７ａ、導入折曲部７ｂ、排出折曲部７ｃによる３箇所）、１５０°（９０°＋３０°＋３０°）としており、上記の形態因子の有効要素を包含させている。
更に、上記有効要素の形態因子とは別に、プラズマ発生部２におけるアーク電流値も単位面積（2.5inch×2.5inch）当たりの被処理物へのドロップレット付着数に影響を及ぼす。図７の（７Ｂ）には、被処理物のドロップレット付着数とプラズマ発生部２におけるアーク電流値との関係を示す。前述のように、Ｎ＜１００であることが前記表面処理能力の目標値となる。（７Ｂ）に示すように、アーク電流値が１５０Ａに到達すると、ドロップレット付着数Ｎが１００を越えている。この試験結果と本発明者の知見に基づき、プラズマ発生部２におけるアーク電流値が１４０〜３０Ａの範囲に調整されることにより、前記表面処理能力の目標値が満足されると共に、プラズマ処理を可能にする所定量以上のプラズマが発生されることが明らかとなっている。
複数の拡径管を、縮径管を介して連接することにより、ドロップレット除去効率の向上を図ることができる。
図８は、複数の拡径管配置の一例であり、直線状に２個の拡径管２００、２０１を中継縮径管２０２を介して連接したプラズマ進行路を示す。導入側縮径管２０３は拡径管２０１に対して傾斜配置され、拡径管２０１は中継縮径管２０２を介して拡径管２００に連接され、更に拡径管２００には排出側縮径管２０４が連接されている。これらの連接された拡径管２００、２０１により、複数段階に亘ってドロップレットを除去することができ、高純度のプラズマ流を生成することができる。しかも、図示するように、連接される管路の管軸が合致しないように偏心させて、拡径管２００、２０１に形成される段差部におけるドロップレットの除去効果を高めている。なお、中継縮径管２０２を湾曲形成して、外部にプラズマ誘導磁場発生部を設け、プラズマ進行路をより屈曲度合いを高めながら複数の拡径管を連接してもよい。
図９は２個の拡径管の更に多様な接続形態を示す概念図である。（９Ａ）では、拡径管２００、２０１の管軸を一致させた場合が示される。この場合には、プラズマ流Ｐは直線状に進行し、ドロップレットＤは拡径管の段差部と内周面で捕集される。（９Ｂ）では、拡径管２００、２０１の管軸をずらせた場合が示される。この場合には、プラズマ流Ｐはやや蛇行し、この蛇行によりドロップレットＤがプラズマ流Ｐから分離するため、ドロップレットＤの段差部捕集が増強される。（９Ｃ）は、導入側縮径管２０３と排出側縮径管２０４を平行配置（θ２＝０、θ３＝０）させた場合である。傾斜角θ２、θ３は図１に示されるものと同定義である。この場合には、プラズマ流Ｐは直進し、ドロップレットＤは拡径管の段差部で捕集される。（９Ｄ）では、導入側縮径管２０３と排出側縮径管２０４を斜行配置（θ２＝−３０°、θ３＝−３０°）させた場合に相当する。結果的に導入側縮径管２０３と排出側縮径管２０４は平行することになる。この場合には、プラズマ流ＰはＳ字状に蛇行し、このＳ字蛇行によりドロップレットＤはプラズマ流Ｐから強制分離され、ドロップレットＤの拡径管段差部による捕集効果が増強される。（９Ｅ）では、導入側縮径管２０３と排出側縮径管２０４を斜行配置（θ２＝３０°、θ３＝−３０°）させた場合が示される。この場合には、導入側縮径管２０３と排出側縮径管２０４の管軸は交差する。プラズマ流Ｐは湾曲状に蛇行し、この湾曲蛇行によりドロップレットＤはプラズマ流Ｐから分離し、ドロップレットＤの拡径管段差部による捕集効果が増強される。（９Ａ）と（９Ｂ）の選択、更に（９Ｃ）〜（９Ｅ）の選択があり、両者の組合せにより多様性が広がる。また、拡径管が３個以上になると更に多様性が増加するが、選択の基準は、ドロップレットの捕集効率を最大化し、同時にプラズマ搬送効率の低下を最大抑制することである。本発明を利用すれば、多種多様に選択の幅を広げることが可能になる。
図１０は本発明に係るプラズマ生成装置の更に他の実施例の概略構成図である。図３と同一部分には同一符号を使用し、その作用効果は同一であるからその記載を省略する。以下に、異なる符合部分について、作用効果を説述する。
図１０に示すように、拡径管３内に、偏心した位置に通過孔２５ａを有するアパーチャー２５を前後２つ配設している。大枠で説明すると、プラズマ流９ｂが拡径管３を蛇行しながら偏心通過孔２５ａを通過する際に、プラズマ流９ｂ（Ｐとも書かれる）からドロップレット１８（Ｄとも書かれる）が分離除去される。即ち、プラズマＰに随伴する小さなドロップレットＤは、プラズマＰがアパーチャー２５の偏心通過孔２５ａを湾曲して通過するときに、外側に飛び出してアパーチャー２５の壁面に衝突して除去される。尚、プラズマ進行路を構成する直進管４１、連結進行路７、導入側縮径管３４、拡径管３及び排出側縮径管３９の全てが電気的に中性な浮遊状態に保持されている。
斜行磁場発生器は、拡径管３の外周面に配設される直進磁場発生器２４と、この外周に配置される径方向磁場発生器２３、２３ａから構成される。直進磁場と径方向磁場の合成により斜行磁場が形成され、この斜行磁場に誘導されて、プラズマＰはアパーチャー２５の偏心通過孔２５ａを湾曲して前進することになる。
図１０において、始端側のアパーチャー２５には、左側に偏心通過孔２５ａが形成され、終端側のアパーチャー２５には、右側に偏心通過孔２５ａが形成されている。また、始端側の径方向磁場発生器２３は図の右側にＮ極が配置され、左側にＳ極が配置されており、終端側の径方向磁場発生器２３は図の左側にＮ極が配置され、右側にＳ極が配置されている。従って、拡径管３の始端側には右側から左側に向いた径方向磁場が形成され、終端側には左側から右側に向いた径方向磁場が形成される。これらの径方向磁場と直進磁場発生器２４による直進磁場の合成により、拡径管３の始端側には左寄りの斜行磁場が発生し、終端側には右寄りの斜行磁場が発生する。プラズマＰは拡径管３の始端側で左寄りの斜行磁場に誘導されて左向きに湾曲して始端側のアパーチャー２５の偏心通過孔２５ａを通過する。終端側では右寄りの斜行磁場に誘導されてプラズマは右向きに湾曲して終端側のアパーチャー２５の偏心通過孔２５ａを通過する。
プラズマＰに随伴する小さなドロップレットＤはプラズマＰの湾曲によって外向きに飛び出して始端側のアパーチャー２５及び終端側のアパーチャー２５の壁面に衝突して除去される。従って、プラズマ加工部１２の被処理物１４の表面は、ドロップレットＤを含まない純度の高いプラズマＰで処理することができる。尚、排出側縮径管３９にはプラズマ９ａをプラズマ加工部１２に向けて前進させるための第３磁場発生器３１が配置されている。
図１１は拡径管内に配設されるアパーチャーの偏心通過孔をプラズマが通過する状態を示す説明図である。図示のように、拡径管３内に配設されたアパーチャー２５の偏心通過孔２５ａをプラズマＰが湾曲して通過する際に、このプラズマＰに随伴する小さなドロップレットＤはプラズマＰの湾曲時に外向きに飛び出す。始端側に飛び出した小さなドロップレットＤはアパーチャー２５の壁面に衝突して除去される。終端側に飛び出した小さなドロップレットＤは図示しない終端側のアパーチャー２５の壁面に衝突して除去される。
本発明は、上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々変形例、設計変更などをその技術的範囲内に包含するものであることは云うまでもない。
本発明に係るプラズマ生成装置は、陰極周辺のプラズマガンに近接してドロップレット除去部を設けて、高純度で均一なプラズマ流を被プラズマ処理部に導入することができる。また、本発明に係るプラズマ生成装置により生成される高純度プラズマを用いれば、プラズマ中で固体材料の表面に欠陥や不純物が格段に少ない高純度の薄膜を形成したり、プラズマを照射することにより、固体の表面特性を欠陥や不純物を付与することなく、均一に改質することができ、例えば固体表面における耐磨耗性・耐食性強化膜、保護膜、光学薄膜、透明導電性膜などを高品質かつ高精度に形成することができる。
本発明に係るプラズマ生成装置の実施例の概略構成図である。 本発明に係る別のプラズマ生成装置の実施例の概略構成図である。 本発明に係る、更に別のプラズマ生成装置の実施例の概略構成図である。 ドロップレット捕集板３８を有する内周管３６の部分拡大断面図である。 ドロップレット捕集板３８及びその構造体の概略説明図である。 プラズマ進行路の有効全長Ｌ（ｍｍ）、直径Ｄ（ｍｍ）、屈曲数ＮＢと単位面積当たりの被処理物へのドロップレット付着数との関係を示すグラフである。 プラズマ進行路の屈曲角の総和θ（°）及びアーク電流値Ｉ（Ａ）とドロップレット除去率との相関関係を示すグラフである。 複数の拡径管の概略配置構成図である。 ２個の拡径管の更に多様な接続形態を示す概念図である。 本発明に係るプラズマ生成装置の別実施例の概略構成図である。 拡径管内に配設されるアパーチャーの偏心通過孔をプラズマが通過する状態を示す図である。 本発明の課題に関係するプラズマ生成装置の概略構成図である。 従来のプラズマ加工装置の構成概略図である。
符号の説明
１ プラズマ生成装置
２ プラズマ発生部
３ 拡径管
３ａ 壁面
４ 陰極
５ プラズマ進行路
６ トリガ電極
７ 連結進行路
７ａ 主折曲部
７ｂ 導入折曲部
７ｃ 排出折曲部
８ 陽極
９ ドロップレット混合プラズマ
９ａ プラズマ流
９ｂ プラズマ流
１０ アーク電源
１２ プラズマ加工部
１４ 被処理物
１６ プラズマ安定化磁界発生器
１８ ドロップレット
２０ ドロップレット捕集部
２３ 径方向磁場発生器
２３ａ 径方向磁場発生器
２４ 直進磁場発生器
２５ アパーチャー
２５ａ 偏心通過孔
２６ 第１磁場発生器
２７ 陰極プロテクタ
２８ 屈曲磁場発生器
３０ 第２磁場発生器
３１ 第３磁場発生器
３２ ドロップレット進行路
３３ ドロップレット捕集板
３４ 導入側縮径管
３５ 外周管
３６ 内周管
３７ 縮径管用ドロップレット捕集板
３８ ドロップレット捕集板
３８ａ 粗面
３９ 排出側縮径管
４０ 段差部
４１ 直進管
４２ アパーチャー
４４ 加工部側絶縁プレート
４６ 絶縁材
４８ バイアス電源
４９ プローブ電源
５０ アパーチャー
５１ アパーチャー
１０２ プラズマ発生部
１０４ 陰極
１０６ トリガ電極
１０８ 陽極
１０９ プラズマ
１１０ 電源
１１２ プラズマ加工部
１１４ 被処理物
１１６ａ プラズマ安定化磁場発生器
１１６ｂ プラズマ安定化磁場発生器
１１８ 陰極材料微粒子（ドロップレット）
１２０ ドロップレット捕集部
２００ 拡径管
２０１ 拡径管
２０２ 中継縮径管
２０３ 導入側縮径管
２０４ 排出側縮径管
３００ プラズマ被処理物
３０１ プラズマ加工部
３０２ プラズマ流通路
３０３ リブ
３０４ 陰極
３０６ トリガ電極
３０７ アーク電源
３０８ プラズマ
３０９ ハウジング
４０１ プラズマ加工部
４０２ プラズマ進行路
４０２ａ 進行路始端部
４０３ 絶縁体
４０４ プラズマ
４０５ 陽極
４０６ ドロップレット除去装置
４０７ 陰極
４０８ トリガ電極
４０９ アーク電源
４１１ 捕集部材
４１２ プラズマ進行路
４１３ ドロップレット捕集部
４１４ プラズマ
４１５ ドロップレット
４１６ ドロップレット除去装置
４１７ アパーチャー
４１８ ドロップレット捕集板
４２０ 外囲部材
５００ 外囲部材
５０１ 捕集部材
Ａ１〜Ａ７ 捕集部材
Ｂ１〜Ｂ９ 捕集部材

Claims (24)

  1. 真空雰囲気下にある陰極と陽極の間に真空アーク放電によりプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部により発生されたプラズマが被プラズマ処理部側に進行するプラズマ進行路とを備えたプラズマ生成装置において、前記プラズマ発生部は、前記陰極の周辺を包囲する外囲部材を有し、前記外囲部材の内側には、プラズマの発生時に前記陰極から副生される陰極材料粒子（以下「ドロップレット」という）を捕集する捕集部材が配置され、少なくとも前記捕集部材及び前記外囲部材が電気的に中性の浮遊状態に保持されることを特徴とするプラズマ生成装置。
  2. 複数個の前記捕集部材が、前記陰極の周囲に、前記プラズマの進行方向に沿って、前記外囲部材の内側に多層状に配置された請求項１に記載のプラズマ生成装置。
  3. 前記捕集部材は、前記プラズマを流通させる中空部を穿設した環状部材からなり、同一形状の前記環状部材を複数個、多層状に配置した請求項２に記載のプラズマ生成装置。
  4. 複数個の前記捕集部材は、前記中空部の大きさが異なる環状部材を含み、前記プラズマの進行方向に沿って、各中空部の大きさが漸次、拡大するように、複数個の前記環状部材を多層状に配置した請求項２に記載のプラズマ生成装置。
  5. 前記プラズマ進行路を形成するダクト部が電気的に中性の浮遊状態に設定される請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
  6. 前記陽極は、前記外囲部材と電気的に絶縁されて配設された環状電極であり、前記環状電極の内径がプラズマの進行方向に沿って縮小する請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
  7. 前記ドロップレットを除去するドロップレット除去部を前記プラズマ進行路に配置し、前記ドロップレット除去部は、拡径管と、前記拡径管のプラズマ導入側始端に連接された導入側縮径管と、前記拡径管のプラズマ排出側終端に連接された排出側縮径管と、前記拡径管の前記始端及び前記終端に形成された段差部とから構成される請求項１〜６のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
  8. 前記導入側縮径管及び／又は前記排出側縮径管の管軸を前記拡径管の管軸に対して所定屈曲角で傾斜配置させ、前記導入側縮径管及び／又は前記排出側縮径管を前記拡径管に連接した請求項７に記載のプラズマ生成装置。
  9. 前記導入側縮径管及び前記排出側縮径管の管軸が前記拡径管に対して互いに交差するように配置した請求項７又は８に記載のプラズマ生成装置。
  10. 前記プラズマ進行路は、前記プラズマ発生部に連接された直進管を有し、前記導入側縮径管を前記直進管に対して垂直又はほぼ垂直に連接し、前記直進管の終端にドロップレット捕集部を配設した請求項７、８又は９に記載のプラズマ生成装置。
  11. 前記拡径管は、内周管と外周管からなり、前記内周管を前記外周管に対して挿脱自在にした請求項７〜１０のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
  12. 前記内周管の内壁に複数のドロップレット捕集板が植設された請求項１１に記載のプラズマ生成装置。
  13. 前記ドロップレット捕集板の表面が粗面加工を施されている請求項１２に記載のプラズマ生成装置。
  14. 前記ドロップレット捕集板を前記導入側縮径管に向けて斜行配置した請求項１２に記載のプラズマ生成装置。
  15. 前記導入側縮径管及び前記排出側縮径管にドロップレット捕集用アパーチャーを配設した請求項７〜１４のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
  16. 複数の前記拡径管を、縮径管を介して連接した請求項７〜１５のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
  17. 前記導入側縮径管と前記拡径管と前記排出側縮径管は、前記プラズマ発生部及び前記被プラズマ処理部と電気的に絶縁されている請求項７〜１６に記載のプラズマ生成装置。
  18. 前記導入側縮径管と前記拡径管と前記排出側縮径管を少なくとも含む前記ダクト部内にプローブを挿入するか、又は前記ダクト部をプローブとして利用してプラズマの物性量を測定する請求項７〜１７に記載のプラズマ生成装置。
  19. 前記プラズマ進行路の有効全長、直径、屈曲数及び屈曲角の総和のいずれかひとつ又はその組み合わせがドロップレット低減条件を満足するように設定された請求項１〜１８のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
  20. 前記有効全長が１６００〜９００ｍｍで設定された請求項１９に記載のプラズマ生成装置。
  21. 前記直径が２００〜９０ｍｍで設定された請求項１９に記載のプラズマ生成装置。
  22. 前記屈曲数が３〜１で設定された請求項１９に記載のプラズマ生成装置。
  23. 前記屈曲角の総和が１５０〜９０°で設定された請求項１９に記載のプラズマ生成装置。
  24. 前記プラズマ発生部におけるアーク電流値が１４０〜３０Ａの範囲で調整された請求項１〜２３のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
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