JP2010202899A - 静電トラップを具備するプラズマ発生装置及びプラズマ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、成膜速度を確保したまま、被処理物に到達するドロップレット量を低減化すると共に、メンテナンス性の優れたプラズマ発生装置及び同加工装置を提供することを目的としている。
【解決手段】本発明は、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２と、プラズマ進行路３０と、前記陰極１０から副生されるドロップレット４４をプラズマ流１４から分離させるために前記陰極１０の正面方向に開口を有する１つ以上のドロップレット捕集部６から構成され、前記プラズマ流１４を前記プラズマ進行路３０に沿って前記ドロップレット捕集部６以外の方向に屈曲させるプラズマ発生装置２において、前記ドロップレット捕集部６内に前記ドロップレット４４を静電付着させる１つ以上の静電電極８を有する静電トラップ７が設けられるプラズマ発生装置２及び同加工装置１である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマ発生装置及びプラズマにより被処理物の表面処理加工を行うプラズマ加工装置に関し、更に詳細には、真空雰囲気下に配置された陰極に真空アーク放電を生起させ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）を捕集するドロップレット捕集部が設けられたプラズマ発生装置及びこのプラズマ発生装置を具備するプラズマ加工装置に関する。

真空アークプラズマは、陰極と陽極の間に生起される真空アーク放電により陰極表面から陰極材料が蒸発して、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及び／又は不活性ガスを導入した場合には、反応性ガス及び／又は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、被処理物表面に対する薄膜形成やイオンの注入等の表面処理加工を行うことができ、その表面特性を改善することが可能である。尚、本願明細書では、前記プラズマが所定の方向に進行している場合、「プラズマ」を「プラズマ流」とも称している。

真空アーク放電では、陰極表面から陰極物質のイオン、電子、陰極材料中性粒子（原子及び分子を含む）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、ナノオーダーから数百ミクロン（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。この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。この問題を解決するために、本願発明者らの一部は、特許第３８６５５７０号公報（特許文献１）に記載されるプラズマ加工装置を開発している。

図２０は、特許文献１に記載される従来のプラズマ加工装置の構成概略図である。プラズマ加工部１０３には、プラズマ発生部１０４がプラズマガイド部１０５を介して接続され、このプラズマガイド部１０５にはドロップレット捕集部１０６が付設されている。プラズマ発生部１０４において、陰極１１０にトリガ電極１１２を接触させると電気スパークが発生し、陰極１１０と陽極１１７との間の電気抵抗が減少し、真空アーク放電が生起されてプラズマ１１４が発生する。陰極１１０には、電源１１８が接続され、トリガ電極１１２と電源１１８の間には、電流を制限するための抵抗１２０が挿入されている。また、磁石１２２ａ、１２２ｂからなるアーク安定化用磁界発生器１２２により、プラズマを安定化させることができる。

このプラズマ１１４は、プラズマガイド部１０５に設けられたプラズマ屈曲磁界発生器１２８の誘導磁界により、プラズマ発生部１０４と対面しない略直交方向に屈曲され、プラズマ加工部１０３に流入される。プラズマ発生部１０４と対面する位置にはドロップレット１４４が捕集されるドロップレット捕集部１０６が配置されている。従って、このプラズマ加工装置では、プラズマ１１４を誘導磁界により略直交方向に分岐させ、ドロップレット１４４を分離することにより、プラズマ加工部１０３への進入が抑制される。その結果、ドロップレット１４４が分離されたプラズマ１１４により被処理物１６９の表面処理加工が行われる。

しかしながら、前記ドロップレット１４４には、陰極材料からなる中性粒子１１ａと共に、帯電した陰極材料微粒子（ドロップレット，マクロパーティクルとも呼ばれる）である荷電性粒子（荷電ドロップレット，荷電マクロパーティクル）１４４ｂが含まれており、図２０のプラズマ加工装置では、前記プラズマ屈曲磁界発生器１２８の誘導磁界により、ドロップレット１４４中の荷電性粒子１１４ｂの一部がプラズマ加工部１０３に誘導されていた。従来のプラズマ発生装置において、前記荷電性粒子１１４ｂを除去する手段として、特許第３８６０９５４号公報（特許文献２）には、静電フィルタ（「電場フィルタ」とも称されている）が記載されている。

図２１は、特許文献２に記載される静電フィルタを具備する従来のプラズマ加工装置の構成概略図である。尚、図２０のプラズマ加工装置と同様の機能を有する部材については、同一名称と同一符号を付しており、詳細な説明を省略する。図２１に示す従来のプラズマ加工装置では、陰極１１０が電極１１０ａとターゲット１１０ｂから構成され、ターゲット１１０ｂにトリガ電極１１２を接触させることにより真空アーク放電を生起して、プラズマ１１４を発生させている。前述のように、前記プラズマ１１４は、正のイオン１１４ａと電子１１４ｂから形成されるが、中性粒子１１４ａや荷電性粒子１１４ｂからなるドロップレットが混合された状態で、プラズマ加工部の方向へ進行して行く。

図２１に示す従来のプラズマ加工装置では、発生した前記プラズマ１１４は、第１磁場ダクト１２３の磁界によりビーム状になり、第２磁場ダクト１２４へと進行する。ここで、前記ドロップレットの一部は、防着フィルタ１２５に衝突し、前記第２磁場ダクトへの侵入が抑制される。前記ビーム状のプラズマ１１４は、第２磁場ダクト１２４の磁界により揺動され、プラズマ加工部１０３に設置された被処理物１６９の表面を前記プラズマ１１４でスキャンして表面処理加工が行われる。図２１に示されるように、前記第２磁場ダクト１２５と被処理物１６９との間には、従来の静電フィルタ１０７が設置されている。図２１には、円筒状の静電フィルタ１０７の断面が示されている。高周波電源又は直流電源に接続された前記静電フィルタ１０７は、正電位に設定されており、この静電フィルタ１０７を通過するプラズマ１１４の中に浮遊する負に帯電した荷電性粒子１１４ｂが捕獲される。

特許第３８６５５７０号公報 特許第３８６０９５４号公報

図２０に示した特許文献１に記載される従来のプラズマ加工装置では、プラズマ１１４を誘導磁界により略直交方向に分岐することにより、ドロップレット１４４を分離させ、プラズマ発生部１０４と対面する位置に設けられたドロップレット捕集部１０６にドロップレット１４４が捕集されていた。しかしながら、前述のように、前記ドロップレット１４４には、陰極材料からなる中性粒子１１ａと共に、帯電した陰極材料微粒子である荷電性粒子１４４ｂが含まれており、前記プラズマ屈曲磁界発生器１２８の誘導磁界により荷電性粒子１１４ｂがプラズマ加工部１０３に誘導されていた。従って、前記プラズマ１１４にドロップレット１４４として混入する荷電性粒子１４４ｂが被処理物１６９の表面に付着し、薄膜形成や表面改質の均一性が失われ、前記被処理物の表面特性を低下させていた。

前述のように、図２１に示した特許文献２に記載される従来のプラズマ加工装置では、前記プラズマ加工部１０３におけるプラズマ進行路の周囲に、円筒状の静電フィルタ１０７が設けられ、前記静電フィルタ１０７を通過するプラズマ１１４の中に浮遊する荷電性粒子１４４ｂが捕獲されていた。しかしながら、前記ドロップレット１４４には、荷電性粒子１４４ｂと共に中性粒子１４４ａが含まれており、前記防着フィルタ１２５では、プラズマ１１４に随伴して進行する中性粒子１４４ａを除去することができなかった。更に、前記防着フィルタは、プラズマ１１４の流れを所定量以上制限しない大きさであることが求められるため、ドロップレット１４４の捕集効率の向上には限界があった。

また、図示していないが、特許文献２には、他の実施形態として、屈曲した磁場ダクトの内壁面にバッフルを設け、前記ドロップレット１４４をバッフルに捕獲する磁気フィルタ法が記載されている。しかしながら、単に湾曲磁場によりプラズマ１１４を屈曲させてプラズマ加工部１０３に進行させるものであるから、ドロップレット１４４に混入する荷電性粒子１４４ｂや微小な中性粒子１４４ａが除去されずにプラズマ加工部１０３に誘導され、被処理物１６９に衝突又は付着することを防止できなかった。また、前記バッフルは、貫通孔を有する比較的小さな円形の制限板であり、これを磁場ダクトの内壁面に設けても前記ドロップレット１４４が内壁面に反射してプラズマ進行路に放出される又は多量のドロップレットを捕集しきれない場合があった。

更に、特許文献２に記載される従来のプラズマ加工装置では、前記静電フィルタがプラズマ加工部１０３における被処理物１６９の直前に配置されるため、前記荷電性粒子だけではなく、プラズマ１１４にも作用するため、目的とする表面加工処理を設計通り行うことが困難となる場合があった。前述のように、プラズマ加工装置は、種々の材料を用いた成膜や表面改質に利用されるものであることから、所定量のプラズマ１１４を安定して供給することが求められていた。
従来のプラズマ加工装置には、トーラス型、ニー型、直線型、ベンド型、ダブルベンド型など、フィルタとして、いくつかのダクト形状が提案されている。しかしながら、プラズマ流１１４の輸送途中に従来の静電フィルタ１０７を挿入する場合、被処理物１６９と陰極１１０との距離が長くなり、成膜速度が低下するという問題があった。また、プラズマ輸送路途中に配置されるリング状の静電フィルタ１０７の問題として、メンテナンス性が劣るという問題があった。つまり、ダクトの間にあるリング状の静電フィルタ７の分解は手間がかかり、分解しない場合には手が届きにくいという問題があった。

従って、本発明の第１の目的は、発生したプラズマから前記ドロップレットを構成する中性粒子と荷電性粒子を高効率に捕集して除去できると共に、所定量のプラズマを安定に供給することができるプラズマ発生装置を提供することである。即ち、成膜速度を確保したまま、被処理物に到達するドロップレット量を低減化することを目的としている。更に、高純度のプラズマにより、目的に応じて被処理物に対して所定の表面処理加工を高精度に行うことができ、メンテナンス性の優れたプラズマ加工装置を提供することを第２の目的としている。

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、真空雰囲気下に配置された陰極に真空アーク放電を生起させて前記陰極からプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマが進行するプラズマ進行路と、前記陰極から副生されるドロップレットをプラズマ流から分離させるために前記陰極の正面方向に開口を有する１つ以上のドロップレット捕集部から構成され、前記プラズマ流を前記プラズマ進行路に沿って前記ドロップレット捕集部以外の方向に屈曲させるプラズマ発生装置において、前記ドロップレット捕集部内に前記ドロップレットを静電付着させる１つ以上の静電電極を有する静電トラップが設けられるプラズマ発生装置である。

本発明の第２の形態は、第１の形態において、前記静電電極の先端が前記開口面の開口開始位置から前記ドロップレット捕集部方向へ後退した距離を後退距離Ｘとしたとき、前記後退距離Ｘが−１０ｍｍ≦Ｘ≦４０ｍｍの範囲にあるプラズマ発生装置である。

本発明の第３の形態は、第１又は第２の形態において、前記接地電極を基準として前記静電電極に印加する静電電位Ｖ_Ｓと前記プラズマ流のプラズマ電位Ｖ_ＰがＶ_Ｓ≧Ｖ_Ｐであるプラズマ発生装置である。

本発明の第４の形態は、第３の形態において、前記静電電位Ｖ_Ｓとプラズマ電位Ｖ_Ｐの関係が０≦Ｖ_Ｓ−Ｖ_Ｐ≦１００（Ｖ）を満足するプラズマ発生装置である。

本発明の第５の形態は、第３又は第４の形態において、前記静電電極が２つ以上あり、各静電電位Ｖ_Ｓが等しい又は異なるプラズマ発生装置である。

本発明の第６の形態は、第１〜２のいずれかの形態において、前記開口面の開口面積Ｓ_０と前記静電電極の先端の端面積Ｓ_Ｅとの比率Ｓ_Ｅ／Ｓ_０が０＜Ｓ_Ｅ／Ｓ_０≦０．５の範囲にあるプラズマ発生装置である。

本発明の第７の形態は、第３〜６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に前記接地電極を基準としてダクト電位Ｖ_Ｄが印加され、前記ダクト電位Ｖ_Ｄと前記静電電位Ｖ_ＳがＶ_Ｄ＜Ｖ_Ｓであるプラズマ発生装置である。

本発明の第８の形態は、第１〜７のいずれかの形態において、少なくとも１つの前記静電電極に前記ドロップレットを通過させる１つ以上の貫通孔が設けられるプラズマ発生装置である。

本発明の第９の形態は、第１〜７のいずれかの形態において、少なくとも１つの前記静電電極の先端に前記ドロップレットの進行方向に対向する平面状又は曲面状の端面が形成されるプラズマ発生装置である。

本発明の第１０の形態は、第１〜７のいずれかの形態において、少なくとも１つの前記静電電極の先端に前記ドロップレットの進行方向に対して突出する１つ以上の立体構造が形成されるプラズマ発生装置である。

本発明の第１１の形態は、第１〜１０のいずれかの形態において、前記静電電極がアルミニウム、ステンレス、銅、真鍮、チタン又はそれらのいずれかを主成分とする合金から形成されるプラズマ発生装置である。

本発明の第１２の形態は、第１〜１０のいずれかの形態のプラズマ発生装置と、被処理物が配置されるプラズマ加工部から構成され、前記プラズマ発生装置で生成されたプラズマをプラズマ加工部に流入させ、前記プラズマにより前記被処理物の表面処理加工を行うプラズマ加工装置である。

本発明の第１の形態によれば、前記ドロップレット捕集部内に前記ドロップレットを静電付着させる１つ以上の静電電極を有する静電トラップが設けられるから、前記ドロップレットを構成する中性粒子と共に荷電性粒子を高効率に捕集することができる。本発明者らは、鋭意研究の結果、実験結果に基づき、前記ドロップレットを構成する中性粒子と荷電性粒子を高効率に捕集するプラズマ発生装置の構造と静電トラップの配置との関係を明らかにして、本発明を完成するに到ったものである。従来の静電トラップは、前記プラズマをプラズマ加工部などに供給するプラズマ供給口付近に配置されていが、本発明者らは、前記ドロップレット捕集部が設けられたプラズマ発生装置において、そのドロップレット捕集部内に静電トラップを設けることにより、ドロップレットの捕集効率が向上することを実験的に明らかにしている。本発明に係るドロップレット捕集部は、前記陰極の正面方向に開口を有しており、前記陰極から副生され、プラズマ流に随伴して直進する又はプラズマ進行路の内壁面に反射しながら進行する中性粒子と荷電性粒子は、慣性力だけでもドロップレット捕集部の方向へ進行する。従って、前記ドロップレット捕集部に中性粒子が高効率に捕集され、更に荷電性粒子は、静電トラップの静電場によって引き付けられ、屈曲して進行するプラズマ流に随伴することなく、前記静電トラップに付着してドロップレット捕集部内に捕集される。前記荷電性粒子は、主として負に帯電しており、前記静電電極は正電位に設定される。

更に、前記静電トラップが前記プラズマ進行路に付設されたドロップレット捕集部内に設けられるから、プラズマ流の進行を殆ど妨げることなく、高純度のプラズマを安定に供給することができる。前記静電電極を１つのドロップレット捕集部に２つ以上設置しても良く、またドロップレット捕集部が複数設けられた場合に、１つのドロップレット捕集部のみに静電電極を設けても良く、プラズマ発生部の正面にあって、ドロップレットがより集中して流入するドロップレット捕集部に設けられることが好ましい。

静電トラップを構成する静電電極の材料としては、導電性を有する種々の材料を用いることができ、金属、導電性セラミック、導電性ガラス、導電性樹脂などの導電性材料から静電電極を形成することができる。尚、前記静電電極の耐久性を考慮した場合には、高温の荷電性粒子や中性粒子が衝突するため、静電電極が高融点材料から形成されることが好ましく、タングステン、モリブデン、チタン等の高融点金属や導電性セラミック等が用いられる。また、静電電極は非磁性であることが望ましい。磁性材料を用いると、プラズマを輸送するための磁界を乱す恐れがあるからである。更にまた、ドロップレットの運動エネルギー吸収しつつ吸着させることを考慮した場合には、クッション機能を持つ導電性樹脂や導電性ゴム、導電性エラストマー等を用いることが好ましく、効率的に荷電性粒子を付着させることが可能である。更に、前記静電電極がパンチングメタルや多孔樹脂などのパンチング板やメッシュ状の素材から形成される場合、表面積が増大することから、より多くのドロップレットを付着させることができる。また、静電電極としては、種々の形状の電極を用いることができ、直線状、円筒状又は円柱状などの中心軸対称の電極以外にも、前記ドロップレット捕集部の構造やプラズマ進行路に対する設置位置に応じて、オフ軸対称若しくは軸非対称の電極、曲線状、くびれを有する、末広がり、末すぼまり又はコーン状のなどの電極を適宜に選択することが可能である。

本発明の第２の形態によれば、前記静電電極の先端が前記開口面の開口開始位置から前記ドロップレット捕集部方向へ後退した距離を後退距離Ｘとしたとき、前記後退距離Ｘが−１０ｍｍ≦Ｘ≦４０ｍｍの範囲にあるから、前記静電電極に荷電性粒子を高効率に付着させ、前記ドロップレット捕集部に捕集することができる。前述のように、前記ドロップレット捕集部は、前記プラズマ進行路に付設されており、前記開口面は前記プラズマ進行路とドロップレット捕集部との境界面と略一致する。前記静電電極をドロップレット捕集部の方向へ移動させた距離、つまりプラズマ進行路からドロップレット捕集部の終端に向かって後退させた距離を「後退距離」と称しており、前記開口面と前記静電電極の先端が一致する点を基準として「開口開始位置」と称している。前記後退距離は、前記静電電極の先端が前記開口開始位置から前記ドロップレット捕集部の方向へ移動した距離を正の距離としており、逆に前記プラズマ進行路の方向に移動した距離（つまり、よりプラズマに近づけた場合の距離）は負の距離となる。

前記後退距離Ｘが−１０ｍｍ≦Ｘ≦４０ｍｍの範囲にあるとき、前記静電電極の先端は、前記開口面の近傍±１０ｍｍの範囲か又は１０ｍｍ〜４０ｍｍ後退させた位置にあるから、プラズマ流の進行を殆ど妨げることがないか、又は僅かな影響のみであり、本発明に係るプラズマを用いて被処理物の表面処理加工等を行うことができる。換言すれば、後退距離が−１０ｍｍより小さな場合、つまり１０ｍｍを越えて前記開口開始位置よりもプラズマ進行部側にある場合、実験において、前記静電電極によるプラズマへの影響が無視できない程度（つまり、静電トラップがプラズマ流の一部を遮ってしまう）になっていた。更に、後退距離が４０ｍｍを越える場合、プラズマに随伴して進行する荷電性粒子や壁面に反射してプラズマの進行方向へ飛散する荷電性粒子を前記静電電極からの静電場によりドロップレット捕集部方向へ高効率に誘導することが困難となり（つまり，荷電ドロップレットを誘引するだけの高電界が得られず）、ドロップレットの捕集効率が低下する。従って、本発明に係る第２の形態によれば、前記後退距離Ｘが−１０ｍｍ≦Ｘ≦４０ｍｍの範囲にあるから、前記静電電極に荷電性粒子を高効率に付着させると共に、前記ドロップレットが除去された所定量のプラズマを安定に供給することができる。

本発明の第３の形態によれば、前記接地電極を基準として前記静電電極に印加する静電電位Ｖ_Ｓと前記プラズマ流のプラズマ電位Ｖ_ＰがＶ_Ｓ≧Ｖ_Ｐであるから、前記静電電位Ｖ_Ｓが前記プラズマ電位Ｖ_Ｐに対して高電位となるから、負に帯電した荷電性粒子（荷電ドロップレット，荷電マクロパーティクル）をドロップレット捕集部方向へ誘導して前記静電電極に静電付着させることができる。前記ドロップレットを構成する荷電性粒子は、負に帯電したものが殆どであり、前記静電電位Ｖ_Ｓが前記プラズマ電位Ｖ_Ｐに対して正電位に設定されることにより、前記ドロップレットを高効率に捕集することができる。更に、前記静電電位Ｖ_Ｓと前記プラズマ電位Ｖ_Ｐが等電位の場合においても、前記接地電極を基準として前記静電電位Ｖ_Ｓが正電位にあれば、前記ドロップレット捕集部に進入してきた前記ドロップレットに含まれる負電荷の荷電性粒子を静電付着することができる。

本発明の第４の形態によれば、前記静電電位Ｖ_Ｓとプラズマ電位Ｖ_Ｐの関係が０≦Ｖ_Ｓ−Ｖ_Ｐ≦１００（Ｖ）を満足し、前記静電電位Ｖ_Ｓは、前記プラズマ電位Ｖ_Ｐと等電位か又は前記プラズマ電位Ｖ_Ｐより高電位でその差が１００Ｖ以下に設定されるから、前記プラズマ流の進行を殆ど妨げることなく、前記ドロップレットを静電吸着することができる。前記静電電位Ｖ_Ｓは、接地電極に対して正電位にあれば、前記ドロップレットに含まれる負電荷の荷電性粒子を静電付着することができ、前記プラズマ電位Ｖ_Ｐに対する電位差が１００Ｖ以内に設定されるから、前記静電電極の静電場によって前記プラズマ流の進行が殆ど妨げられることがない。前記プラズマ電位Ｖ_Ｐに対する電位差が１００Ｖを越えると、プラズマ流に対する影響が無視できなくなる。

本発明の第５の形態によれば、前記静電電極が２つ以上あるから、前記ドロップレットをより確実に静電付着させることができる。各静電電極の静電電位Ｖ_Ｓは、等しくても異なっていても良く、前記静電電位Ｖ_Ｓが接地電極（通常、プロセスチャンバ本体あるいは／および陽極）に対して正電位にあれば、前記ドロップレットに含まれる負電荷の荷電性粒子を静電付着することができる。また、前記静電電極の前記静電電位Ｖ_Ｓを電極の位置に応じて適宜に設定すれば、より高効率にドロップレットを捕集することができる。
前記ドロップレット捕集部が２つ以上設けられる場合、各ドロップレット捕集部に静電電極を配置することにより、高効率にドロップレットを静電付着させることができる。

本発明の第６の形態によれば、前記開口面の開口面積Ｓ_０と前記静電電極の先端の端面積Ｓ_Ｅとの比率Ｓ_Ｅ／Ｓ_０が０＜Ｓ_Ｅ／Ｓ_０≦０．５の範囲にあるから、前記開口面を通過してきた荷電性粒子と中性粒子を高効率に前記ドロップレット捕集部内に捕集することができる。即ち、前記端面積Ｓ_Ｅは、前記開口面積Ｓ_０の半分以下であるから、前記開口面を通過してきた前記荷電性粒子が前記静電電極に静電付着されると共に、前記中性粒子が前記静電電極に衝突し難くなり、前記中性粒子は、前記ドロップレット捕集部の壁面等に衝突・付着して捕集される。

本発明の第７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に前記接地電極を基準としてダクト電位Ｖ_Ｄが印加され、前記ダクト電位Ｖ_Ｄと前記静電電位Ｖ_ＳがＶ_Ｄ＜Ｖ_Ｓであるから、前記プラズマ進行路に沿って電界によりプラズマ流を誘導できると共に、前記ドロップレットの荷電性粒子を静電電極に静電付着させて捕集することができる。プラズマ流は、主として前記ダクト部の周囲に配置された電磁コイル等の磁界により、所定のプラズマ進行路に沿って輸送されるが、前記ダクト部にダクト電位Ｖ_Ｄを印加すれば、プラズマ流のより効率的な輸送を行うことができる。前記ダクト電位Ｖ_Ｄが前記静電電位Ｖ_Ｓより低く設定されているから、プラズマ流に対する静電電位の影響を緩和させることができる。

本発明の第８の形態によれば、少なくとも１つの前記静電電極に前記ドロップレットを通過させる１つ以上の貫通孔が設けられるから、前記ドロップレット捕集部内に前記ドロップレットを構成する中性粒子をより多量に捕集することができる。更に、前記中性粒子が静電電極に衝突することを抑制することができる。前述のように、前記ドロップレットは、荷電性粒子と中性粒子から構成され、この荷電性粒子が静電付着され、中性粒子は前記捕集部内に堆積又はその内壁に付着することが好ましく、前記貫通孔を設けることによって中性粒子を前記捕集部の後方まで進行させることができる。従って、前記ドロップレットをより高効率に捕集することができる。

本発明の第９の形態によれば、少なくとも１つの前記静電電極の先端に前記ドロップレットの進行方向に対向する平面状又は曲面状の端面が形成されるから、前記荷電性粒子を高効率に静電付着することができる。平面状又は曲面状の端面からは、前記ドロップレットの進行方向に平行な又はそれに近い方向に電界が形成されるから、前記開口面を通過して前記捕集部内に進入してきた荷電性粒子を前記端面に高効率に静電付着することができる。

本発明の第１０の形態によれば、少なくとも１つの前記静電電極の先端に前記ドロップレットの進行方向に対して突出する１つ以上の立体構造が形成されるから、前記静電電極の表面積が増大し、静電付着により除去できるドロップレットの量を増大させることができる。前記静電電極の立体構造としては、棒状及び／又は板状の突出部等を２つ以上設けて形成した比較的簡単な構造を利用することができ、それらの表面にドロップレットを静電付着することができる。

本発明の第１１の形態によれば、前記静電電極がアルミニウム、ステンレス、銅、真鍮、チタン又はそれらのいずれかを主成分とする合金形成されるから、前記静電電極に電圧を印加することにより、ドロップレットを静電付着することができる好適な静電場を高効率に発生させることができる。アルミニウム、ステンレス、銅、真鍮、チタン又はそれらのいずれかを主成分とする合金は、電極材料として用いられる安定な材料であり、加工が容易で、かつ、比較的安価であり、従来の電極やその製法を利用して比較的簡易に本発明に係る静電電極を提供することができる。

本発明の第１２の形態によれば、前記プラズマ発生装置で生成されたプラズマをプラズマ加工部に流入させ、前記プラズマにより前記被処理物の表面処理加工を行うから、高純度のプラズマ流によって所望の特性を被処理物表面に付与することができる。

本発明に係るプラズマ加工装置の構成概略図である。 本発明に係る円筒状の静電電極及びその変形例の構成概略図である。 本発明に係る静電トラップ７によるドロップレット捕集機構の説明図である。 本発明に係るプラズマ発生装置の内壁に衝突したドロップレットが衝突して破砕する様子を観察した写真図（４Ａ）と模式図（４Ｂ）である。 本発明に係る静電電極の位置と後退距離Ｘの関係を説明するプラズマ発生装置の構成概略図である。 本発明の第１実施形態に係るプラズマ発生装置のダクトの構造を示した斜視概略図である。 本発明に係る静電電極の後退距離Ｘに関する説明図である。 本発明に係る第２実施形態のプラズマ発生装置の構成概略図である。 本発明に係る第２実施形態のプラズマ発生装置の構成概略図である。 本発明に係る第１実施形態の変形例の構成概略図である。 本発明に係る第１実施形態においてプラズマ進行路と捕集部のダクト径が異なる場合の構成概略図である。 本発明に係る第３実施形態のプラズマ発生装置２の構成概略図である。 本発明に係る静電トラップ電流と静電トラップバイアスの測定結果である。 本発明に係る成膜速度と静電トラップバイアスの測定結果である。 本発明に係る静電電極のポジションとプラズマ電流（ここでは、単に「イオン電流」とも称する）の関係を測定した測定結果である。 表１に記載したドロップレット数と膜厚から見積もられた体積当りに存在するドロップレット数をプロットしたグラフ図である。 本発明に係る静電電極の変形例を示す構成概略図である。 本発明に係る種々の形状を有した静電電極を示す構造概略図である。 本発明に係る種々の形状を有した静電電極を示す構造概略図である。 従来のプラズマ加工装置の構成概略図である。 電場フィルタを具備する従来のプラズマ加工装置の構成概略図である。

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。
図１は、本発明に係るプラズマ加工装置１の構成概略図である。プラズマ加工装置１は、第１実施形態のプラズマ発生装置２とプラズマ加工部３からなり、プラズマ発生装置２は、プラズマ発生部４、プラズマガイド部５及びドロップレット捕集部６から構成され、このドロップレット捕集部６には、静電電極８からなる静電トラップ７が設けられている。第１実施形態において、静電トラップ７は、１つのドロップレット捕集部６に設けられた１つの静電電極とこれに接続された静電電極用電源５２から構成されており、静電トラップ７によるドロップレットの捕集機構に関しては後述する。プラズマ進行路３０とドロップレット進行路４８はダクト４０から形成され、このダクト４０は、プラズマ進行路３０を形成する進行部ダクト４２とドロップレット進行路４８を形成する捕集部ダクト５０から構成されている。

プラズマ発生部２では、発生部外壁１６内に配設された陰極１０にトリガ電極１２を接触させると電気スパークが発生し、陰極１０と陽極１７との間の電気抵抗が減少し、真空アーク放電が生起されてプラズマが発生し、プラズマ流１４が形成される。前述のように、真空アーク放電では、陰極表面から陰極物質のイオン、電子、陰極材料中性粒子（原子及び分子を含む）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、ナノオーダーから数百ミクロン（０．０１〜１０００μm）の大きさの陰極材料微粒子からなるドロップレット４４も放出される。ドロップレット４４は、中性粒子４４ａと共に荷電性粒子４４ｂから構成されている。

陰極１０には、直流電源１８が接続され、トリガ電極１２と電源１８の間には、電流を制限するための抵抗２０が挿入されている。また、アーク安定化用コイル２２、２６によりプラズマ流１４が安定化される。プラズマ流１４が進行するプラズマ進行路３０は、第１プラズマ進行路３４と第２プラズマ進行路３６から構成される。第１プラズマ進行路３４を直進してきたプラズマ流は、プラズマガイド部５に設けられたプラズマ屈曲用コイル２８の誘導磁界により、プラズマ発生部４と対面しない略直交方向に屈曲され、第２プラズマ進行路３６を進行する。ドロップレット４４は、中性又は質量に対する電荷量が比較的小さい場合は、誘導磁界によって屈曲されることなく、慣性によって直接又は壁面に衝突してドロップレット捕集部６の方向に進行して捕集される。本発明に係るプラズマ発生装置２には、静電電極８からなる静電トラップ７が設けられており、荷電性粒子４４ｂからなるドロップレット４４を静電電極８に静電付着させることができる。静電電極８には、静電電極用電源５２が導線５３を介して接続され、静電電極８に印加される静電トラップバイアスは、０〜＋４０Ｖであることが好ましい。

ここで、静電トラップ７である静電電極８の構造について、実施例を示す。図２は、本発明に係る円筒状の静電電極８及びその変形例の構成概略図である。以下に説明する図面において、図１に示した部材と同一の部材には、同一符号を付し、既に説明を行っている場合には、説明を省略している。また、図面を引用して。既出の部材について説明を行わない場合には、部材や符号の記載を省略又は簡略化している。図２の（２Ａ）に示した静電電極８は、円筒状の導電性部材から形成され、貫通孔９が設けられている。図１のプラズマ発生装置２において、図２（２Ａ）の円筒状の静電トラップ７である静電電極８が配設されている場合、中性粒子４４ａの一部は、貫通孔入口９ａから進入し、貫通孔出口９ｂから放出され、ドロップレット捕集部６の終端部５４に捕集される。端面１１からは、より強い電界が発生し、荷電性粒子４４ｂを高効率に静電付着することができる。ドロップレット４４を構成する荷電性粒子４４ｂは、静電電極８からの電界によって静電付着される。図２（２Ｂ）に示すように、静電電極８の端面１１は、ドロップレット４４の進行方向に対して傾斜した端面１１が形成されても良く、先端の電界が増強される。また、静電電極８の大きさは、配設されるドロップレット捕集部６の構造に応じて適宜に変更することができ、（２Ｃ）に示すように、円筒状の静電電極８における筒状部分を殆ど設けない場合においても好適なドロップレット４４の静電付着に好適な電界を発生させることができる。

図３は、本発明に係る静電トラップ７によるドロップレット捕集機構の説明図である。図１と同様に、ドロップレット進行路４８に静電電極８からなる静電トラップ７が配設されている。図１に示したプラズマ発生装置２において、前記プラズマ発生部４でプラズマ流１４には、ドロップレット４４が混在している。図３の（３Ａ）に示すように、プラズマ流１４を構成する電子１４ｃとイオン１４ｄの間には、プラズマを誘導するクーロン力Ｆ_Ｃが作用し、プラズマ流１４は、誘導磁界によるサイクロトロン運動Ｍｃによって、第１プラズマ進行路３４から第２プラズマ進行路３６に屈曲して進行する。このプラズマ流によってプラズマ中のイオン電流Ｉ_ｉＳが第２プラズマ進行路３６へ流れる。正電位の静電電極８に負に帯電した荷電性粒子４４ｂが引き寄せられると同時に、電子１４も電界により静電トラップ７に吸収されてイオン電流Ｉ_ｉＥＦが流れる。イオン電流Ｉ_ｉＥＦとして吸収される成分を低減化させて、プラズマイオン電流Ｉ_ｉＳの減少を抑制するためには、図３の（３Ｂ）に示すように、荷電性粒子４４ｂを静電付着させると共に、イオン電流Ｉ_ｉＥＦを低減化させる位置に静電電極８を配置する。従って、ドロップレットを高効率に捕集できると共に、十分な成膜速度を確保する高純度のプラズマ流１４を供給することができる。静電電極８の好適な位置については後述する。

図４は、本発明に係るプラズマ発生装置の内壁に衝突したドロップレット４４が衝突して破砕する様子を観察した写真図（４Ａ）と模式図（４Ｂ）である。図１に示したＴ字型のプラズマ発生装置２は、陰極１０から放出されるドロップレット４４を幾何学的にすべて補足できる構造である。しかしながら、図４の（４Ｂ）に示すように、ドロップレット４４の一部は破砕するため、第１プラズマ進行路３４から第２プラズマ進行路３６に飛散する粒子も存在する。特に、破砕された破砕ドロップレット４４ｃは小さくなるため、プラズマ中の電子が付着して負に帯電しやすい。破砕ドロップレットは、小さくなると同時に、運動エネルギーも失って低速になるため、静電的に誘導されやすくなる。従って、前述のように、本発明に係るプラズマ発生装置２によれば、静電トラップ７によって荷電性粒子からなる破砕ドロップレット４４ｃもより確実に捕集することができる。ドロップレット４４に含まれる中性粒子のほとんどは直進して、ドロップレット進行路４８を進行し、そのまま捕集される。

更に、図１に示したプラズマ加工装置１では、ドロップレット捕集部６を形成する捕集部ダクト５０に斜行壁４６が設けられており、第１プラズマ進行路３４を進行してきたドロップレット４４の一部は、斜行壁４６に衝突してドロップレット捕集部６の終端部５４の方向へ反射され、捕集される。また、図１のドロップレット捕集部６には、ポケット部５６が設けられ、斜行壁４６で反射されたドロップレット４４を捕集することができる。

静電電極８の位置は、前述のように、プラズマイオン電流Ｉ_ｉＳの減少を抑制し、且つ荷電性粒子４４ｂが静電付着されるよう設定されることが要求される。本発明者らは、捕集部ダクト５０及び／又はドロップレット進行路４８の開口面３８から、静電電極８をドロップレット捕集部の方向へ後退させた後退距離Ｘに着目して、静電電極８の好適な位置を実験結果から明らかにしている。図５は、本発明に係る静電電極８の位置と後退距離Ｘの関係を説明するプラズマ発生装置２の構成概略図である。図５の（５Ａ）に示すように、斜線の領域であるプラズマ進行路３０からドロップレット捕集部６における終端部５４の方向に静電電極８を後退させた場合、開口面３８から静電電極８までの後退距離Ｘを正の値としている。従って、図５の（５Ｂ）に示すように、プラズマ進行路３０側に静電電極８が進入した距離は、負の後退距離−Ｘとする。この場合、後退距離Ｘは、静電電極８の先端１１と開口面３８の距離とする。即ち、図５において、捕集部ダクト５０は、進行部ダクト４２に付設されており、開口面３８はプラズマ進行路３０とドロップレット進行路４８の境界面と略一致する。

図６は、本発明の第１実施形態に係るプラズマ発生装置２のダクト４０の構造を示した斜視概略図である。（６Ａ）に示すように、進行部ダクト４２に対して捕集部ダクト５０を設ける場合、開口面３８は、進行部ダクト４２に接した捕集部ダクト５０の断面部分となる。図５に示したプラズマ発生装置の構成概略図は、（６Ａ）のＡ−Ａ’線断面図に相当する。（６Ｂ）に示すように、進行部ダクト４２に対して捕集部ダクト５０が上方や下方に傾斜して接続されている場合においても、開口面３８は、進行部ダクト４２の構造とそれに基づくプラズマ進行路３０を基準として、捕集部ダクト５０との境界を開口面３８として定義している。より明確化するために、開口面３８及び後退距離Ｘは、以下の点から明確に定義することが可能である。
（１）捕集部ダクト５０を取り外したときの進行部ダクト４２内の空間をプラズマ進行路３０とする。
（２）進行部ダクト４２内におけるプラズマ進行路３０を除く部分をドロップレット進行路４８とし、プラズマ進行路３０とドロップレット進行路４８の境界を開口面３８とする。
（３）静電電極８と開口面３８を最短で結ぶ距離を後退距離Ｘとし、ドロップレット進行路４８の方向へ移動した場合を正の距離とする。
尚、以下では、後退距離Ｘの開口面側の一端を開口開始位置、静電電極側の一端を静電トラップ７の先端と称する。

図７は、本発明に係る静電電極８の後退距離Ｘに関する説明図である。（７Ａ）において、静電電極８の端面１１は、ドロップレット４４の直進方向に対して傾斜して形成されており、前述のように、前記後退距離Ｘは、静電電極８の先端１１ａと開口面３８の距離である。（７Ｂ）では、捕集部ダクト５０が進行路ダクト４２に対して斜め方向に取付けられている。従って、プラズマ進行路３０は、斜線の領域にとなり、後退距離Ｘは、開口面３８と静電電極８の最短距離である開口開始位置３９と静電電極８の先端１ａの距離となる。後退距離Ｘは、−１０ｍｍ≦Ｘ≦４０ｍｍの範囲にあることが好ましく、静電電極８の先端１１ａは、プラズマ電流が大幅に低減することなく、ドロップレット４４をより確実に捕集することができる。

また、図１のプラズマ加工装置１では、ダクト４０にダクトバイアス用電源５８が接続されている。プラズマ進行路３０とドロップレット捕集部６を形成するダクト４０に接地電極を基準としてダクト電位Ｖ_Ｄが印加される。ダクト電位Ｖ_Ｄは、静電電位Ｖ_Ｓより低く、Ｖ_Ｄ＜Ｖ_Ｓとなるように設定され、磁界と共に電界によりプラズマ流１４がプラズマ進行路３０に沿って誘導される。ダクト電位Ｖ_Ｄは、静電電位Ｖ_Ｓより低く設定されるから、ドロップレット４４の荷電性粒子４４ｂは、静電電極８に静電付着させて捕集することができる。即ち、プラズマ流１４は、主としてダクト４０の周囲に配置されたプラズマ引出用コイル２６、プラズマ屈曲用コイル２８、プラズマガイド用コイル２９の磁界によって輸送されるが、ダクト４０にダクト電位Ｖ_Ｄを印加すれば、プラズマ流１４のより効率的な輸送を行うことができる。

図１のプラズマ発生装置２において、生成されたプラズマ流１４は、ドロップレット４４が除去された後、プラズマ供給口３２からプラズマ加工部３に供給される。図１のプラズマ加工部３は、ガイド部６０と処理室６６から構成されている。ガイド部６０には、第１スキャナコイル６２と第２スキャナコイル６４が設けられ、プラズマ流１４を集束させてスキャンすることができる。処理室６６には、被処理物固定台６８に被処理物６９が設置され、プラズマ流１４を被処理物６９の表面に誘導するための被処理物用電源７０が接続されている。また、図１のプラズマ加工装置１には、イオン電流モニタ７２が設けられ、イオン電流モニタ用電源７４が接続され、前記イオン電流モニタ７２によりプラズマ電流のモニタを行うことが可能である。

被処理物６９の前段と後段には、第１プラズマ集束用コイル７６と第２プラズマ集束用コイル７８が配設され、集束状態にあるプラズマ流１４によって被処理物６９の表面処理を行うことができる。必要に応じて供給ガス８０がガス供給口８２から処理室６６内に供給される。処理室６６を形成する加工部外壁８４には、排気口８６が設けられ、処理室６６中のガスが排気ガス８８として排気される。

図９は、本発明に係る第２実施形態のプラズマ発生装置の構成概略図である。本発明の第２実施形態では、（９Ａ）及び（９Ｂ）に示すように、ドロップレット捕集部６に第１終端部５５ａと第２終端部５５ｂが設けられ、それらの前段には、それぞれ、第１静電電極１３と第２静電電極１５が配設されている。（９Ａ）の場合、後退距離Ｘには、第１静電電極端面１３ａから開口面３８までの後退距離Ｘ_１と、第２静電電極端面１５ａの第２静電電極先端１５ｂから開口面３８までの後退距離Ｘ_２がある。各後退距離Ｘは、−１０ｍｍ≦Ｘ≦４０ｍｍの範囲にあることが好ましく、荷電性粒子が静電付着されると共に所定のプラズマ電流を保持することができる。（９Ｂ）に示すプラズマ発生装置２では、第１終端部５５ａと第２終端部５５ｂが（９Ａ）に比べて離れた位置に設けられている。前述のように、後退距離Ｘは、ドロップレット捕集部６を除いたダクト４０内におけるプラズマ進行路３０の開口面３８から第１静電電極端面１３ａ又は第２静電電極先端１５ｂまでの距離Ｘ_１、Ｘ_２である。

図１０は、本発明に係る第１実施形態の変形例の構成概略図である。図１０のプラズマ発生装置２では、第１プラズマ進行路３４と第２プラズマ進行路３６が為す角が鈍角である。（１０Ａ）に示すように、ここで、後退距離Ｘは、開口面３８と静電電極端面１１との最短距離であり、静電電極８の先端１１ａと開口開始位置３９との間隔に相当する。同様に、（１０Ｂ）においても、後退距離Ｘは、開口面３８と静電電極端面１１との最短距離となる。（１０Ｂ）のプラズマ発生装置２では、（１０Ａ）の斜行壁４６が設けられておらず、第１プラズマ進行路３４に対して捕集部ダクト５０が屈曲して配設され、直進してきたドロップレット４４は、捕集部ダクト５０の壁面に衝突し、終端部５４やポケット部５６などに捕集される。
なお、図５、図７、図８、図９、図１０の装置例において，斜行壁４６は設けられてなくてもよい。

図１１は、本発明に係る第１実施形態においてプラズマ進行路３０とドロップレット進行路４８のダクト径が異なる場合の構成概略図である。（１１Ａ）と（１１Ｂ）では、プラズマ進行路３０よりドロップレット進行路４８のダクト径が大きく設計されている。この場合、開口面３８をより大きくすることができ、ドロップレット４４をより確実に捕集することができる。また、（１１Ｂ）に示すように、ドロップレット進行路４８が第１プラズマ進行路３４より外側に拡がる拡径管型の捕集部ダクト５０から形成される場合、ドロップレット４４が壁面に反射してプラズマ進行路３０に戻ることを抑制することができる。

図１２は、本発明に係る第３実施形態のプラズマ発生装置２の構成概略図である。図１２のプラズマ発生装置２には、第１プラズマ発生部４ａと第２プラズマ発生部４ｂが設けられ、各々に第１陰極１０ａと第２電極１０ｂが配設されている。図１２に示したプラズマ発生装置２では、ドロップレット捕集部６の近傍に第２プラズマ発生部４ｂが設けられており、静電電極８により荷電粒子が静電付着される。また、第２プラズマ発生部４ｂからのプラズマ流１４ｂの経路が加わるため、プラズマ進行路３０は斜線の範囲であり、後退距離Ｘは、プラズマ流１４ｂの経路に基づいて設定されている。

図１３は、本発明に係る静電トラップ電流と静電トラップバイアスの測定結果である。前述の後退距離Ｘが０ｍｍ、２０ｍｍ、４０ｍｍの場合に、静電トラップバイアス（Ｖ）に対する静電トラップ電流（ｍＡ）の値を測定してプロットしている。図１に示した第１実施形態のプラズマ加工装置を用いた測定結果であり、実験条件は以下の通りである。静電電極は、円筒状のアルミ合金製であり、外形８０ｍｍ、長さ８５ｍｍ、板厚０．５ｍｍである。この静電電極の配置位置は、図１に示したように、開口面からドロップレット進行路の方向にＸ＝０ｍｍ、２０ｍｍ、４０ｍｍと後退させた後退距離Ｘで特徴付けられている。図１３に示すように、正電位にあり約１５Ｖを越えると、荷電性粒子による静電トラップ電流が急激に増加している。後退距離Ｘが短くなるに従って、静電トラップ電流が増大している。

表１は、本発明に係るプラズマ加工装置を用いて成膜されたダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜の膜厚、ドロップレット数を測定した測定結果である。測定には、触針式表面形状計測計（膜厚計測）と光学顕微鏡を用いている。ＤＬＣ膜は、図１に示した第１実施形態のプラズマ加工装置１を用いて成膜されている。実施例は、本発明に係るプラズマ加工装置により作製された試料Ｎｏ．２〜Ｎｏ．７であり、静電トラップが設けられていないプラズマ加工装置によって作製された試料Ｎｏ．１を比較例として記載している。実験において、ドロップレット数は、ＤＬＣ膜の表面を複数枚撮影した光学顕微鏡写真から、０．１ｍｍ^２の範囲に相当する範囲におけるドロップレット数を数え、成膜時間１０分で除した値である。静電トラップ７の静電トラップバイアスは、０〜＋４５Ｖ、捕集部ダクト５０の内径は、約１１０ｍｍであり、陰極１０は黒鉛から形成されている。プラズマ加工部３には、ガスを導入しておらず、圧力０．０１Ｐａ以下、アーク電流３０Ａに設定して測定したものである。イオン電流モニタ６９は、ステンレス製で背面絶縁が施された直径１００ｍｍの円板であり、−１００Ｖのバイアス電圧が印加されている。

更に、ガイド部６０のスキャナコイルによりプラズマ流１４をスキャンして、成膜範囲が１００ｍｍφになるように調整されている。基板（被処理物６８）としては、Ｓｉウエハ（１００）ｎ型が用いられ、サイズは２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ５２５±２５μｍ、抵抗率は２〜１０Ω・ｃｍである。また、基板バイアスは、パルスバイアスであり、電圧−５００Ｖ、パルス幅２０μsec、周波数１０ｋＨｚに設定されている。捕集部ダクト５０のダクトバイアスは、＋１６Ｖに設定されている。

図１４は、表１の結果から見積もられた成膜速度を静電トラップバイアスに対してプロットしたグラフ図である。図中のポジション１、２、３とは、後退距離Ｘが０ｍｍ、２０ｍｍ、４０ｍｍの場合を示している。静電トラップバイアスの増加に伴って、成膜速度が減少している。これは，成膜に有効なイオンを輸送するための電子を静電トラップが吸収してしまうからである。ＤＬＣ膜の加工装置として十分な成膜速度が保持されている。更に、後退距離Ｘを大きくして、ポジションを移動させることにより、より好適な成膜速度が得られている。即ち、プラズマ流からの距離が遠くなり、静電トラップの機能が低下するからである。当然、後退距離Ｘが大きくなれば、静電トラップがない場合の値に近づいていく。

図１５は、本発明に係る静電電極のポジションとプラズマ電流（ここでは、単に「イオン電流」とも称する）の関係を測定した測定結果である。静電トラップバイアスが＋３５Ｖのときに、イオン電流モニタで計測したイオン電流である。図１４と同様に、図１５のポジション１、２、３とは、後退距離Ｘが０ｍｍ、２０ｍｍ、４０ｍｍの場合を示している。後退距離Ｘを大きくするとプラズマイオン電流Ｉ_ｉＳが増大している。即ち、静電電極を後退させることによって、プラズマ流に対する静電トラップの影響が低化する。しかしながら、後退距離ＸがＸ＝０ｍｍであるポジション１の場合においても、「静電トラップなし」の場合と比較してイオン電流の減少は僅かであり、好適なプラズマ流が保持されていることが分かる。静電電極の位置を後退させるほど（プラズマ流から遠ざけるほど）、イオン電流は増加し、静電トラップがない場合の値に近づく。

図１６は、表１に記載したドロップレット数と膜厚から見積もられた体積当り
に存在するドロップレット数をプロットしたグラフ図である。ここでの単位体積は、面積０．１ｍｍ^２×膜厚１ｎｍであり、単位体積当りのドロップレット数がプロットされている。ここでも、ポジション１、２、３は、後退距離Ｘが０ｍｍ、２０ｍｍ、４０ｍｍの場合を示している。ポジション１では、静電トラップバイアスが＋３５Ｖのとき、ドロップレット数が最小となり、静電トラップなしの場合のおよそ１／３程度となった。図１４に示したように、同条件において、成膜速度は、およそ１／１０程度の低下であることから、静電トラップの有効性がより明確となった。

図１７は、本発明に係る静電電極の変形例を示す構成概略図である。（１７Ａ）〜（１７Ｄ）には、各種円形状の静電電極８を記載している。各静電電極８には、図１に示した静電電極用電源５２に接続される導線５３が設けられている。（１７Ａ）は、平面状の端面１１を有する円板状の静電電極８であり、（１７Ｂ）は、貫通孔９が設けられたリング状の静電電極８である。また、（１７Ｃ）に示した電極では、円板状の静電電極８に貫通孔９が複数設けられている。（１７Ｄ）には、円板状の静電電極８が網目状の導電性素材から形成され、その網目が貫通孔９として機能する。

図１８及び図１９は、本発明に係る種々の形状を有した静電電極８を示す構造概略図である。図１７と同様に、各静電電極８には、図１に示した静電電極用電源５２に接続される導線５３が設けられている。図１８の（１８Ａ）は、棒状の静電電極８であり、（１８Ｂ）と（１８Ｃ）は、三角錐状の静電電極８を示している。（１８Ｂ）の静電電極８では、三角錐の底面が静電電極８の端面１１となる。（１８Ｃ）の静電電極８の端面１１は、三角錐の先端がドロップレットの進行方向に対向するよう配置され、この端面１１とプラズマ流側の開放面との距離である後退距離が前記範囲内に設定される。

図１９の（１９Ａ）〜（１９Ｃ）には、先端に突出する１つ以上の立体構造が形成される静電電極８の構造概略図である。（１９Ａ）には、図２に示した円筒状の静電電極８の変形例である。この静電電極８では、貫通孔９の貫通孔入口９ａが貫通孔出口９ｂより大きく設定され、ドロップレットの荷電性粒子を効率的に流入させると共に、荷電性粒子を静電付着させることができ、ドロップレットの中性粒子はそのまま進行するから、貫通孔出口９ｂから放出することができる。（１９Ｂ）は、静電電極８が二つの平面電極から構成され、（１９Ｃ）では、棒状電極がリング状電極に沿って配列され、静電電極８が構成されている。（１９Ｂ）、（１９Ｃ）の各静電電極８では、立体構造が設けられることにより、静電電極８の表面積が大きくなり、多量の荷電性粒子を静電付着することが可能である。

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。また、静電トラップは、同一の素材で構成される必要はなく、必要に応じて、例えば、固定のため、あるいは、ダクトの絶縁を確保するため、絶縁物と導電物とを組み合わせてもかまわない。言うまでもないが、静電電極８全体が導電性構造である場合、それは静電トラップの全体と等しいことになる。静電トラップの先端、中間、または根元だけが導電性物質であり、これが静電電極であってもよい。

本発明に係るプラズマ発生装置によれば、ドロップレットを構成する荷電性粒子を静電付着する静電トラップを、プラズマが通過しない位置に配置するから、成膜距離を変化させずに成膜速度を確保したまま、被処理物に到達するドロップレット量を低減化することができる。従って、本発明に係るプラズマ加工装置によれば、固体材料の表面に欠陥や不純物が格段に少ない高純度の薄膜を形成したり、前記プラズマを照射することにより、固体の表面特性を欠陥や不純物を付与することなく、均一に改質することができる。本発明に係るプラズマを用いることにより、固体表面における高品質の耐磨耗性・耐食性強化膜、保護膜、光学薄膜、透明導電性膜などを形成することができる。
更に、静電トラップは、ドロップレット捕集部に位置することから、フランジ接続が容易であり、取り付け取り外しが簡単で簡易にメンテナンスを行うことができる。

１ プラズマ加工装置
２ プラズマ発生装置
３ プラズマ加工部
４ プラズマ発生部
４ａ 第１プラズマ発生部
４ｂ 第２プラズマ発生部
５ プラズマガイド部
６ ドロップレット捕集部
７ 静電トラップ
８ 静電電極
８ａ 平板電極
８ｂ 接続部
８ｃ 円形電極
８ｄ 棒状電極
９ 貫通孔
９ａ 貫通孔入口
９ｂ 貫通孔出口
１０ 陰極
１０ａ 第１電極
１０ｂ 第２電極
１１ 端面
１１ａ 先端
１２ トリガ電極
１３ 第１静電電極
１３ａ 第１静電電極端面
１４ プラズマ流
１４ｃ 電子
１４ｄ イオン
１５ 第２静電電極
１５ａ 第２静電電極端面
１５ｂ 第２静電電極先端
１６ 発生部外壁
１７ 陽極
１８ 直流電源
２０ 抵抗
２２ アーク安定化用コイル
２６ プラズマ引出用コイル
２８ プラズマ屈曲用コイル
２９ プラズマガイド用コイル
３０ プラズマ進行路
３２ プラズマ供給口
３４ 第１プラズマ進行路
３６ 第２プラズマ進行路
３８ 開口面
３９ 開口開始位置
４０ ダクト
４２ 進行部ダクト
４４ ドロップレット
４４ａ 中性粒子
４４ｂ 荷電粒子
４４ｃ 破砕ドロップレット
４６ 斜行壁
４８ ドロップレット進行路
５０ 捕集部ダクト
５２ 静電電極用電源
５３ 導線
５４ 終端部
５５ａ 第１終端部
５５ｂ 第２終端部
５６ ポケット部
５８ ダクトバイアス用電源
６０ ガイド部
６２ 第１スキャナコイル
６４ 第２スキャナコイル
６６ 処理室
６８ 被処理物固定台
６９ 被処理物
７０ 被処理物用電源
７２ イオン電流モニタ
７４ イオン電流モニタ用電源
７６ 第１プラズマ集束用コイル
７８ 第２プラズマ集束用コイル
８０ 供給ガス
８２ ガス供給口
８４ 加工部外壁
８６ 排気口
８８ 排気ガス
１０３ プラズマ加工部
１０４ プラズマ発生部
１０５ プラズマガイド部
１０６ ドロップレット捕集部
１０７ 静電フィルタ
１１０ 陰極
１１０ａ 電極
１１０ｂ ターゲット
１１２ トリガ電極
１１４ プラズマ
１１４ａ イオン
１１４ｂ 電子
１１７ 陽極
１１８ 電源
１２０ 抵抗
１２２ アーク安定化用磁界発生器
１２２ａ 磁石
１２２ｂ 磁石
１２３ 第１磁場ダクト
１２４ 第２磁場ダクト
１２８ プラズマ屈曲磁界発生器
１４４ ドロップレット
１４４ａ 中性粒子
１４４ｂ 荷電性粒子
１６２ スキャナコイル
１６９ 被処理物
Ｆｃ クーロン力
Ｍｃ サイクロトロン運動

Claims (12)

1. 真空雰囲気下に配置された陰極に真空アーク放電を生起させて前記陰極からプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマが進行するプラズマ進行路と、前記陰極から副生されるドロップレットをプラズマ流から分離させるために前記陰極の正面方向に開口を有する１つ以上のドロップレット捕集部から構成され、前記プラズマ流を前記プラズマ進行路に沿って前記ドロップレット捕集部以外の方向に屈曲させるプラズマ発生装置において、前記ドロップレット捕集部内に前記ドロップレットを静電付着させる１つ以上の静電電極を有する静電トラップが設けられることを特徴とするプラズマ発生装置。
2. 前記静電電極の先端が前記開口面の開口開始位置から前記ドロップレット捕集部方向へ後退した距離を後退距離Ｘとしたとき、前記後退距離Ｘが−１０ｍｍ≦Ｘ≦４０ｍｍの範囲にある請求項１に記載のプラズマ発生装置。
3. 前記接地電極を基準として前記静電電極に印加する静電電位Ｖ_Ｓと前記プラズマ流のプラズマ電位Ｖ_ＰがＶ_Ｓ≧Ｖ_Ｐである請求項１又は２に記載のプラズマ発生装置。
4. 前記静電電位Ｖ_Ｓとプラズマ電位Ｖ_Ｐの関係が０≦Ｖ_Ｓ−Ｖ_Ｐ≦１００（Ｖ）を満足する請求項３に記載のプラズマ発生装置。
5. 前記静電電極が２つ以上あり、各静電電位Ｖ_Ｓが等しい又は異なる請求項３又は４に記載のプラズマ発生装置。
6. 前記開口面の開口面積Ｓ_０と前記静電電極の先端の端面積Ｓ_Ｅとの比率Ｓ_Ｅ／Ｓ_０が０＜Ｓ_Ｅ／Ｓ_０≦０．５の範囲にある請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
7. 前記プラズマ進行路を形成するダクト部に前記接地電極を基準としてダクト電位Ｖ_Ｄが印加され、前記ダクト電位Ｖ_Ｄと前記静電電位Ｖ_ＳがＶ_Ｄ＜Ｖ_Ｓである請求項３〜６のいずれかに記載されるプラズマ発生装置。
8. 少なくとも１つの前記静電電極に前記ドロップレットを通過させる１つ以上の貫通孔が設けられる請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
9. 少なくとも１つの前記静電電極の先端に前記ドロップレットの進行方向に対向する平面状の端面が形成される請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
10. 少なくとも１つの前記静電電極の先端に前記ドロップレットの進行方向に対して突出する１つ以上の立体構造が形成される請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
11. 前記静電電極がアルミニウム、ステンレス、銅、真鍮、チタン又はそれらのいずれかを主成分とする合金から形成される請求項１〜１０のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載されるプラズマ発生装置と、被処理物が配置されるプラズマ加工部から構成され、前記プラズマ発生装置で生成されたプラズマをプラズマ加工部に流入させ、前記プラズマにより前記被処理物の表面処理加工を行うことを特徴とするプラズマ加工装置。