JP3865570B2

JP3865570B2 - プラズマ加工法

Info

Publication number: JP3865570B2
Application number: JP2000182158A
Authority: JP
Inventors: 浩史滝川
Original assignee: Itoh Optical Industrial Co Ltd
Current assignee: Itoh Optical Industrial Co Ltd
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2020-06-16
Also published as: JP2002008893A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空アーク放電により発生させたプラズマを利用して薄膜形成や表面改質等の表面処理を行うのに好適なプラズマ加工法に属する。
【０００２】
ここで、プラズマ加工法とは、放電プラズマによって発生するイオンを含む粒子を、被加工物（被処理材物、さらには、基材、基板ともいう。）の表面に堆積させて蒸着膜を形成したり、基材表面へ注入することにより表面硬化や構造変化などの表面改質を行ったり、基材のエッチングを行ったり、さらには、それらを組み合わせて同時的に若しくは逐次的に行ったりする表面処理加工のことをいう。
【０００３】
【背景技術】
プラズマ中で固体材料の表面に薄膜を形成したり、イオンを注入したり、エッチングしたりすることで、固体の表面特性が改善されたり、固体表面へ新たな機能を付与したりすることができることが知られている。特に、金属イオンを含むプラズマを利用して形成した膜は、固体表面の耐磨耗性・耐食性強化や光学薄膜、透明導電性膜として有用である。
【０００４】
金属イオンを含むプラズマを発生する手法として、真空アークプラズマ法がある。真空アークプラズマは、陰極と陽極との間のアーク放電であり、陰極表面に形成される陰極点から陰極材料が蒸発し、陰極蒸発物質によるプラズマを形成するものである。また、雰囲気ガスとして反応性ガスあるいは不活性ガス（希ガス）あるいは両方同時に導入した場合には、該反応性ガスや不活性ガスも同時にイオン化される。このようなプラズマを用いて、固体表面への薄膜形成やイオンの注入、若しくはそれらを同時的又は逐次的に行なって表面処理加工を行える。
【０００５】
一般に、真空アーク放電においては、陰極点から金属イオン（陰極材料のイオン）が放出されると同時に、サブミクロンから数百ミクロン（０．１〜１０００μｍ）の大きさの陰極材料微粒子が放出される。この微粒子は、一般にドロップレットと呼ばれる。ドロップレットが発生し、該ドロップレットが基材表面に付着すると、基材表面の均一性が失われ、基材に対する所望の表面処理、すなわち、所望の特性改善若しくは機能付与ができない。
【０００６】
ドロップレットの問題を解決する一手法として、磁気フィルタ法（P.J.Martin, R.P.Netterfield and T.J.Kinder, Thin Solid Firms 193/194 (1990)77) がある。該磁気フィルタ法は、真空アークプラズマを湾曲したドロップレット捕集ダクトを通して処理部に輸送するものである。すなわち、ドロップレット捕集ダクトは、湾曲しているため、発生したドロップレット（小液滴）は、溶融・液化物（液状物）であるため、ダクト内周壁に付着捕獲（捕集）されて、ダクト出口ではドロップレットをほとんど含まないプラズマが得られる。なお、ダクトに沿って磁石を配してプラズマ流れを磁界により屈曲させ、プラズマを効率的にプラズマ加工部に移動（輸送）させるようになっている。
【０００７】
また、他の手法として、陰極と基材（被処理物）との間にシールド板（防御体）を設け、ドロップレットが基材に付着するのを防止する手法も提案されている（特開平１０−２５５６５号）。この手法は、シールド法と呼ばれる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記ドロップレットの問題を解決するための▲１▼磁気フィルタ法及び▲２▼シールド法は、それぞれ下記次のような問題点が発生する。
【０００９】
▲１▼ドロップレットは湾曲ダクト内壁に堆積するため、それを定期的に取り除く必要があるが、通常ダクトが細いため、その作業が容易ではない。また、厚さ０．５mm程度に堆積するとその体積物が湾曲内壁から剥がれ、プラズマ内へ不純物として混入するおそれがある。さらに、黒鉛若しくは炭素を含む材料を陰極に用いた場合のようにドロップレットが完全に液化していない場合、該ドロップレットが湾曲ダクト内壁で弾性衝突し反射を繰り返してダクト出口から出てきて、被加工物表面に付着してしまう。
【００１０】
▲２▼シールド板（防御体）は、ドロップレットを遮蔽するばかりではなく、陰極から発生したイオンも遮蔽してしまう。その結果、被処理基材表面に移動される（到達する）イオンの数は、シールド板が無い場合の１／３以下に減少する。また、シールド板面積より、基材の被処理面が大きい場合には、シールド板で遮蔽できない部分が発生して、該部表面にはドロップレットが付着する。さらに、固体状ドロップレットの場合には、該ドロップレットがチャンバー（容器）内壁で乱反射するため、シールド板によって基材にドロップレット（固体状の）が付着するのを防止するのは困難である。
【００１１】
本発明は、上記にかんがみて、ドロップレットの捕集（堆積）除去作業が容易で、かつドロップレットのプラズマ加工部への混入を防止できて、基材（被処理物）に対する所望の表面処理が安定して可能なプラズマ加工法及びプラズマ加工装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【発明の開示】
本発明者らは、ドロップレットが混入しないプラズマ加工部を得るために、ドロップレットを捕捉（捕集）するための特別なドロップレット捕集部を設けるとともに、磁界誘導を利用してプラズマ流れを屈曲又は拡散させればドロップレットが混入しないプラズマ加工部をドロップレット捕集空間とは別位置に形成できることを見出して、下記構成のプラズマ加工法に想到した。
【００１３】
必要により反応性ガスを導入した真空雰囲気下で真空アーク放電を行なってプラズマを発生させて、該プラズマをプラズマ加工部に流入させ、該プラズマ加工部に配置された被処理物を流入プラズマにより表面処理加工を行なう方法であって、
プラズマ発生部からのプラズマ流れを磁界誘導によりプラズマ発生部と対面しない方向に屈曲又は拡散させてプラズマ加工部に流入させるとともに、プラズマ発生部と対面する位置でプラズマの発生時に陰極から副生する陰極材料微粒子（以下「ドロップレット」という。）を前記プラズマ流れから分岐させて捕集することを特徴とする。
【００１４】
上記構成の本発明は、陰極から放出されるドロップレットの流れは直進流れであり、且つ、外部磁界の影響を受けないのに対し、真空アークプラズマ自体は外部磁界により、容易にその流れ方向（移動方向）が変えられる作用を利用したものである。すなわち、陰極と対向する位置にドロップレット捕集部を設け、プラズマ流れをその途中で別の角度に屈曲させることにより、ドロップレット捕集部の形状を捕集後の堆積したドロップレットを回収容易な形態（取り外し等）にできるとともに、剥離してプラズマ加工部へ混入するのを防止するものである。さらに、このドロップレット及びプラズマの磁界に対する特性から、磁界を用いて、ドロップレットの移動方向とは別の方向にプラズマを誘導(conduct) し、ドロップレットを含まないプラズマ領域にプラズマ加工部を形成するものである。
【００１５】
上記構成において、プラズマ流れの屈曲角度を、プラズマ発生部のプラズマ放出軸線に対して略２０〜９５°とすることを特徴とする。放出軸線と磁界屈曲方向が近すぎると、プラズマ加工部に向かうプラズマ流れにドロップレットが混入するおそれがある。
【００１６】
上記態様の一つとしては、プラズマ発生部と対面する位置にドロップレット捕集口を設け、該ドロップレット捕集口に連続する筒状体でドロップレットの捕集を行なう態様がある。当該態様の場合、固体状ドロップレットの乱反射によるプラズマ流れへの混入が阻止し易い。
【００１７】
上記態様の他の一つとしては、プラズマ流れがドーナツ状のプラズマ加工部に向かうように磁界により拡散屈曲させる態様がある。当該態様の場合、プラズマ加工部の中心部先方にドロップレット捕集部を形成できて、ドロップレット捕集部の構造が簡単となる。
【００１８】
上記各プラズマ加工法において、通常、反応性ガスとして、Ｎ₂ 、Ｏ₂ 、Ｈ₂ 、ＣＨ₄ 、Ｃ₂ Ｈ₂ 、Ｃ₂ Ｈ₄ 、Ｃ₂ Ｈ₆ 、ＣＯ及びＣＯ₂ の群から選択される１種又は２種以上を使用し、真空雰囲気の圧力を１０〜１０^-5Ｐａとする。
【００１９】
そして、上記本発明のプラズマ加工法を体現できるプラズマ加工装置は下記構成のものとなる。
【００２０】
該プラズマ加工装置は、真空チャンバー内に、プラズマ発生部と、プラズマ加工部と、該プラズマ加工部と干渉しない部位にドロップレット捕集部とを備え、プラズマ発生部からのプラズマ流れをプラズマ加工部へ向かうように屈曲又は拡散させる磁界を発生するプラズマ誘導磁界発生器とを備え、前記ドロップレット捕集部が前記プラズマ流れから分岐した位置に形成されていることを特徴とするものである。
【００２１】
上記プラズマ加工装置の一態様として、プラズマ発生部に対して、プラズマ加工部が直交位置に、ドロップレット捕集部が対面位置にそれぞれある構成とすることができる。
【００２２】
他の態様として、プラズマ発生部とプラズマ加工部とを接続するプラズマガイド部のプラズマ発生部のプラズマ放出軸線に対する交差角度が２０〜８０°であるとともに、ドロップレット捕集部が先端が閉じる筒状体で形成され、該筒状体はプラズマ発生部と対面する位置にドロップレット捕集口を備えている構成とすることができる。
【００２３】
さらに他の態様として、プラズマ加工部がドーナツ状に配され、プラズマ加工部にプラズマ流れが向かうようにプラズマを拡散させるプラズマ誘導磁界発生器（プラズマ拡散磁界発生器）が配され、ドロップレット捕集部がドーナツ状のプラズマ加工部の内側先方に配されている構成とすることができる。
【００２４】
上記態様におけるより具体的態様として、真空チャンバー内でプラズマ加工部の底部側にプラズマ拡散磁界発生器が配され、該プラズマ加工部を形成する真空チャンバー周壁に連続するテーパ筒状体でドロップレット捕集部が形成されている構成とすることができる。
【００２５】
同様に他の具体的態様として、ドロップレット捕集部がプラズマ加工部を形成する真空チャンバの平板状底壁部で兼ねられ、該平板状底壁部の外側下方にプラズマ拡散磁界発生器が配されている構成とすることができる。
【００２６】
さらに、上記各態様において、ドロップレット捕集部に、ドロップレットの運動エネルギーを吸収するドロップレットエネルギー吸収体が配することにより、プラズマ中へのドロップレットの乱反射による混入をより確実に防止できる。
【００２７】
そして、本発明のプラズマ加工方法及びプラズマ加工装置によれば、単一または複数種元素イオン、原子及び分子で構成され、ドロップレットを含まない大体積プラズマを容易にかつ安価に発生させることが可能となる。
【００２８】
また、プラズマを用いて、安価でかつ大面積にわたる薄膜形成及び表面加工を施すことが可能となる。
【００２９】
【発明を実施するための形態】
以下、本発明を、実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は図示の構成に限定されるわけではなく、種々の設計変更が可能であることは勿論である。
【００３０】
本発明をプラズマ加工法の一形態である真空アーク蒸着法に適用する場合に使用するプラズマ加工装置の概略モデル図を図１に示す。
【００３１】
本実施形態のプラズマ加工法（真空アーク蒸着法）は、基本的には、必要により反応性ガスを導入した真空雰囲気下で真空アーク放電を行なってプラズマを発生させて、該プラズマをプラズマ加工部に移動させ、該プラズマ加工部に配置された被処理物をプラズマにより表面処理加工を行なう方法である。
【００３２】
該プラズマの構成粒子は、陰極１２からの蒸発物質、若しくは該蒸発物質と導入ガスを起源（ソース）とするプラズマ化した荷電粒子（イオン、電子）ばかりでなく、プラズマ前状態の分子、原子の中性粒子をも含む。
【００３３】
真空アーク蒸着法における、蒸着条件は、電流：１〜６００Ａ（望ましくは５〜５００Ａ、さらに望ましくは１０〜１５０Ａ）、電圧：５〜１００Ｖ（望ましくは１０〜８０Ｖ、さらに望ましくは１０〜５０Ｖ）、圧力：１０^-5〜１０Ｐａ（望ましくは１０^-4〜５Ｐａ、さらに望ましくは１０^-2〜１Ｐａ）である。
【００３４】
図１のプラズマ加工装置は、基本的に、真空チャンバー１０内に形成されるアーク発生部Ｅ、ドロップレット捕集部Ｄ及びプラズマ加工部（プロセス部）Ｔを備えた構成である。
【００３５】
真空アーク発生部Ｅは、陰極（カソード）１２、陰極プロテクタ１３、陽極（アノード）１４、トリガ電極１６、アーク安定化磁界発生器（磁石）１８を備えている。
【００３６】
陰極１２は、プラズマの主構成物質を供給するソースであり、その形成材料は、導電性を有する固体なら特に限定されない。金属単体、合金、無機単体、無機化合物（金属酸化物・窒化物）等、特に問わず、それらは単独又は２種以上混合して使用することができる。
【００３７】
金属単体としては、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｓｂ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｓｎ、Ｖ、Ｃｏ、Ｙ、Ｈｆ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｈｇ、Ｎｄ、Ｐｂ等を、合金（金属化合物）としては、ＴｉＡｌ、ＡｌＳｉ、ＮｄＦｅ、無機単体としては、Ｃ、Ｓｉ等を、無機化合物（セラミックス）としては、ＴｉＯ₂ 、ＺｎＯ、ＳｎＯ₂ 、ＩＴＯ（Indium Tin
0xide ：スズ混入酸化インジウム）、Ｉｎ₂ Ｏ₃ 、Ｃｄ₂ ＳｎＯ₄ 、ＣｕＯ等の酸化物、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＣ、ＴｉＣ、ＣｒＮ、ＴｉＣＮ等の炭・窒化物等を、それぞれ挙げることができる。
【００３８】
陰極プロテクタ１３は、蒸発させようとする陰極表面以外の部分を電気絶縁して覆い、かつ、陰極１２と陽極１４との間に発生する真空アークプラズマが後方に拡散するのを防ぐものである。汎用の耐熱セラミックス等を使用できる。また、陰極１２との間に電気絶縁層（単に空隙、あるいはセラミックやふっ素樹脂をはさむ）を形成する場合、汎用のステンレス鋼、アルミニウム合金等を使用できる。
【００３９】
また、上記において陰極プロテクタ１３をステンレス鋼の代わりに鉄やフェライト等の耐熱性の強磁性材料で形成すれば、真空チャンバ１０の外側に配されたプラズマ安定化磁界発生器１８から印加される磁界により陰極プロテクタ１３自体も磁化されてプラズマに直接的に作用して発生プラズマ分布の調整が容易となる。
【００４０】
陽極１４の形成材料は、プラズマの温度でも蒸発せず、非磁性の材料で導電性を有する固体なら特に限定されない。金属単体、合金、無機単体、無機化合物（金属酸化物・窒化物）等、特に問わず、それらは単独又は２種以上混合して使用することができる。前述の陰極に使用した材料を適宜選択して使用することができる。本実施形態の装置では、ステンレス鋼もしくは銅を使用し、水冷構造とすることが望ましい。
【００４１】
また陽極１４の形状はアークプラズマの進行をさえぎるものでなければ、特に限定されない。図例では、筒状体（円筒、角筒を問わない）であるが、コイル状、Ｕ字形、さらには、上下・左右に一対平行に配して形成してもよい。
【００４２】
トリガ電極１６は、陰極１２と陽極１４との間に真空アークを誘起するための電極である。すなわち、該トリガ電極１６を一時的に陰極１２の表面に接触させ、その後引き離すことで、該陰極１２と該トリガ電極１６との間で、電気スパークを発生させる。該電気スパークが発生すると、陰極１２と陽極１４との間の電気抵抗が減少し、陰極−陽極間に真空アークが発生する。トリガ電極１６の形成材料は、高融点金属である汎用のＭｏ（融点：2610℃）やＷ（融点：3387℃）等を使用する。
【００４３】
アーク安定化磁界発生器１８は、プラズマ発生部Ｅにおける真空チャンバー１０の外周に配され、真空アークの陰極点、及び、アーク放電により発生したプラズマを安定化させるためである。すなわち、磁界発生器１８は、プラズマに対する印加磁界がカスプ形（互いに逆方向）となる一対のリング状に配された磁石１８ａ、１８ｂで構成されている。このカスプ形の印加磁界により、アーク陰極点の運動を制御するとともに、プラズマを放射方向に拡散（すなわち扁平円柱状）させることで陰極と陽極間の電流路を確保し、アーク放電を安定化させる。なお、この磁界発生器１８としては、通常、電磁石（電磁コイル）又は永久磁石を使用する。
【００４４】
そして、陰極１２、陽極１４及びトリガ電極１６は、それぞれ、絶縁導入端子２０を介して外部のアーク電源２２と接続する。アーク電源２２には、汎用の直流、パルス若しくは直流重畳パルス電源を使用する。なお、トリガ電極１６とアーク電源２２との間には、通常、トリガ電極１６に流れる電流を制限（調整）するための制限用抵抗（１〜１０Ω）２３を挿入する。
【００４５】
プラズマ加工部（処理部）Ｔには、ガス導入を行なわない場合もあるが、ガス導入システム２４及びガス排出システム２６が接続されている。これらのシステムとしては汎用のものを使用できる。ガス導入流量が一定に制御され、かつ排気流量を制御することにより容器全体の真空度（圧力）が一定に制御されるものとする。
【００４６】
導入ガスは、プラズマ発生部Ｅから導入してもよく、プラズマ加工部（処理部）Ｔとプラズマ発生部Ｅの両方から導入してもよい。プロセス部とプラズマ発生部の両方から導入する場合、ガスの種類が異なってもよい。
【００４７】
そして、導入ガスとしては、反応性ガスを使用しない場合に、圧力を一定に保持するための希ガス（通常、Ａｒ、Ｈｅ）のほかに、反応性ガスを適宜使用する。該反応性ガスが、陰極材料等をソースとする蒸発粒子（プラズマ粒子）と反応して、複化合物膜を容易に形成できる。上記反応性ガスとしては、窒素（Ｎ₂ ）、酸素（Ｏ₂ ）、水素（Ｈ₂ ）、炭化水素ガス（Ｃ₂ Ｈ₂ 、Ｃ₂ Ｈ₄ 、ＣＨ₄ 、Ｃ₂ Ｈ₆ 等）、酸化炭素ガス（ＣＯ、ＣＯ₂ ）の群から適宜、１種又は複数種を選択して使用できる。ここで、反応性を制御するために前記希ガスを混合して反応性ガスの濃度を調整してもよい。
【００４８】
本実施形態のプラズマ加工法においては、上記基本構成において、放出直後のプラズマＰをプラズマ加工部Ｔへ磁界誘導により屈曲させて移動させるとともに、プラズマの発生時に陰極１２から副生する陰極材料微粒子（ドロップレット）ｄを、プラズマ加工部Ｔと干渉しないドロップレット捕集部Ｄに移動させて捕集堆積させる方法である。
【００４９】
陰極から発生するドロップレットは、電気的に中性であり、通常、磁界の影響を受けないため、直進移動するという特性を有する。そこで、陰極１２と対向した位置にドロップレットを捕獲、捕集する空間、すなわち、ドロップレット捕集部Ｄを設ける。基本的には単にプラズマ発生部Ｅを形成する真空チャンバー１０をプラズマ放出軸方向に伸ばせばよい。通常の場合、直進移動（直進飛行）してきたドロップレットは、ドロップレット捕集部Ｄの内壁に堆積する。ここでドロップレット捕集部Ｄを取り外せる構造としておけば、その清掃が容易となる。
【００５０】
そして、プラズマをプラズマ加工部Ｔへ屈曲移動させる誘導磁界を発生させるためのプラズマ誘導磁界発生器（プラズマ屈曲磁界発生器）２８を備えたプラズマガイド部Ｇを設ける。
【００５１】
プラズマガイド部Ｇは、プラズマ発生部Ｅ及びドロップレット捕集部Ｄとプロセス部Ｔを接続する部分であり、外部から誘導磁界を印加することにより、プラズマ発生部Ｅからのプラズマ流れＰを略直角（８５〜９５°）に屈曲移動させてプラズマ加工部Ｔに誘導（ガイド）するものである。ドロップレットの流れはこの磁界による影響（作用）を受けず直進流れとなる。プラズマガイド部Ｇを通過してプラズマ加工部Ｔに導かれたプラズマには、該ドロップレットが含まれない。
【００５２】
上記プラズマ屈曲磁界発生器２８は、通常、前記アーク安定化磁界発生器１８におけるプラズマ進行側（前方側）の磁石１８ｂの磁界（磁場）に対して直角方向で且つ順方向（同方向）のミラー形の印加磁界対を発生させるものとする。ミラー形の印加磁界は、プラズマをビーム状に絞り込み、且つ、順方向側へプラズマを誘導する作用を有する。この作用により、プラズマＰはプラズマガイド部Ｇさらにはプラズマ加工部Ｔへ磁界誘導される。なお、プラズマ屈曲磁界発生器２８とアーク安定化磁界発生器１８の前方側磁石１８ｂの磁界方向は、プラズマ流れと並流方向でなく、図２・図３の如く向流方向でもよい。
【００５３】
基板（被処理部）３０には、生成膜の膜質を制御するため、直流バイアス、ＲＦバイアス又はパルスバイアスを印加してもよい。特に、高電圧パルスバイアスを印加することで、プラズマ中のイオンが基板３０表層に注入され、基板表面の高度な改質処理が可能となる。アーク電源２２としてパルス電源を用いた場合、電源とバイアスとのタイミングが制御されることが望ましい。
【００５４】
なお、陰極１２は真空チャンバー１０内に複数個配置してもよい。陰極１２を複数化することで、生産性が向上する。
【００５５】
図２・３は、図１のプラズマ加工装置の一部（特に、ドロップレット捕集部Ｄ１又はＤ２）を改良した装置の一部省略要部モデル図である。図１と同一部分については、同一図符号を付してそれらの説明の全部又は一部を省略する。以下、図４・５についても同様である。
【００５６】
図２に示すものは、ドロップレットの捕集効率及びプラズマのプラズマ加工部Ｔへの移動効率（輸送効率）を向上させたものである。図１の装置との主な違いは下記の点にある。プラズマ流れＰの磁界による屈曲方向が、プラズマ発生部Ｅのプラズマ放出軸線に対して２０〜８０°（望ましくは３０〜６０°）であるとともに、ドロップレット捕集部Ｄ１が先端が閉じる筒状体３２で形成され、該筒状体３２は、ドロップレットの放出方向と対面する開口部３２ａを備え、且つ、プラズマの磁界屈曲方向と干渉しない方向に湾曲する形態である。
【００５７】
すなわち、プラズマ発生部Ｅのプラズマ放出軸線に対するプラズマガイド部Ｇとの傾斜角度（交差角度）は、図１に示す如く９０°前後又は９０°より大きくてもよいが、９０°よりを小さくする、すなわち８０°以下とすることにより、プラズマガイド部Ｇにおける印加磁界の強さを低減（すなわち、電磁コイルの場合、消費電力が低減でき）できる。プラズマの屈曲角度が小さいため、プラズマを屈曲させるための絞り込みエネルギーが小さくてすむためである。
【００５８】
また、図１に示す如く、９０°前後又は９０°より大きな角度で屈曲させてプラズマを移動させる場合に比して、ドロップレット捕集部Ｄ１へのプラズマの逃げ（損失）が低減される観点から、プラズマ加工部Ｔへのプラズマ移動効率（輸送効率）が増大する。なお、屈曲角度が小さ過ぎる（２０°未満）と、プラズマガイド部Ｇへのドロップレットの混入量が増大し、ドロップレット除去の効率が低下する。
【００５９】
さらに、図例の如く、ドロップレット捕集部Ｄ１を形成する真空チャンバーを湾曲筒状体３２で形成することにより、図１に示す上記構成に比して、固体状ドロップレットのプラズマへの混入を低減できる。
【００６０】
溶融した液状ドロップレットが筒状体３２の内壁に付着するのは図１の場合と同様であるが、固体状のドロップレットは、筒状体（捕集部）３２の内周壁で乱反射を繰り返し、捕集部の奥へと進み、やがて、運動エネルギーを失って、筒状体３２の末端で停止する。したがって、固体状ドロップレットを発生する黒鉛陰極の場合などにこの構成が有効である。
【００６１】
特に、筒状体３２を、連続的に半径を縮径させた（例えば、ホーン状、角状）又は段階的（階段状）に半径が縮まる構造とした場合は、固体状ドロップレットの繰り返し反射によるプラズマ流れ方向への移動が発生し難くなる。したがって、筒状体３２をこれらの構造とした場合、プラズマ流れへの混入がより確実に阻止できる。
【００６２】
なお、筒状体３２の向きは、平面で左右方向に向いていてもよいが、下方に湾曲させることが、重力の沈降作用を利用できてより望ましい。
【００６３】
さらに、図２では、ドロップレット補集部の接続部である筒状体３２の元部外周に、プラズマ流れのプラズマガイド部Ｇへの速度を増大させるための磁界を印加するプラズマ屈曲補助磁界発生器（磁石）３４が配されている。この補助磁界発生器３４は、プラズマ屈曲磁界発生器２８が発生する磁界（磁場）に対して逆方向の磁界を印加させて、その間でカスプ形の磁界対を形成する。このカスプ磁界対の作用により、プラズマは屈曲流れの方向に拡散してプラズマ密度の増大に寄与する。すなわち、プラズマ移動（輸送）効率をより向上させることができる。
【００６４】
図３に示すものは、ドロップレット捕集部Ｄ２を略正方形の筒状体（箱状体）３３で形成し、該チャンバー３３の入口（ドロップレット捕集口）３３ａに、ドロップレットを前記筒状体に屈曲させる反射板３９を配し、さらには、箱状体３３のドロップレット進行方向の対向面側及び底部側にドロップレットの運動エネルギーを吸収するドロップレットエネルギー吸収体（以下「ドロップレット吸収体」）４０を配したものである。反射板３９によりプラズマ発生部Ｅから直進してくる固体状ドロップレットｄをドロップレット捕集部Ｄ２へ確実に誘導できる。また、ドロップレット吸収体４０によりドロップレットの跳ね返り（乱反射）によるプラズマ中へのドロップレットｄの混入も防止できる。なお、エネルギー吸収体（緩衝体）４０としては、耐熱性があってドロップレットの捕獲できるものが望ましく、セラミック・石英・カーボンウール、カーボンファイバ、カーボンマイクロコイル、スポンジ状カーボン、多孔質カーボン・セラミック等を挙げることができる。
【００６５】
上記ドロップレット吸収体４０は、図例の如くドロップレット進行対向面側及び／又は底部側に層状に配するだけでもよいが、筒状体（箱状体）３２、３３の周壁全体に層状に形成したり、ドロップレット吸収部Ｄ、Ｄ１の全空間に形成してもよい。なお、層状に形成する場合は、通常、２〜１０mmとする。
【００６６】
本発明のさらに別の態様であるプラズマ加工装置のモデル図を図４・５・６に示す。
【００６７】
これらのプラズマ加工法は、上記図１・２・３と基本的に異なる点は、プラズマ流れがドーナツ状のプラズマ加工部Ｔ１に向かうように誘導磁界により拡散させることにある。そして、ドロップレット捕集部Ｄ２（Ｄ３）は、図１・２・３に示す場合と同様、プラズマ発生部Ｅに対面する位置、すなわちドーナツ状のプラズマ加工部Ｔ１の内側先方に設ける。前述の如く、プラズマ発生部及びドロップレット捕集部を水平方向に並列させてもよいが、図例の如く、プラズマ加工部Ｔ１とともに、垂直方向に配することが、ドロップレット回収に際して重力を利用できるため望ましい。
【００６８】
プラズマ発生部Ｅ１は図１の装置と同様である。プラズマ発生部Ｅ１とプラズマ加工部Ｔ１とがプラズマガイド部を経ずに直結されている点と、プラズマ加工部Ｔ１にドロップレット捕集部Ｄ１、Ｄ２が直接的に接続されている点が異なる。
【００６９】
プラズマ発生部Ｅ１で発生したアークプラズマは、プラズマ発生部Ｅ１における安定化用磁界発生器１８による磁界に対して、プラズマ加工部及びドロップレット捕集部Ｄ３の境界部に配置したプラズマ拡散磁界発生器３６による磁界が逆方向となるカスプ磁界対を形成することにより拡散されプラズマ流れが扁平円柱状に広がる。すなわち、円筒状のプラズマ加工部Ｔ１にプラズマ流れが向かって流入する結果となる。このとき、ドロップレット流れは直進（下方）流れであるため、該円筒状のプラズマ加工部Ｔ１の内側にドロップレットが飛行し、存在しているが、外周領域には無ドロップレットプラズマ領域、プラズマ加工部Ｔ１が形成できる。該プラズマの外周位置に基板（被処理基材）３０を配置すれば、ドロップレットの影響の無い加工が可能となる。
【００７０】
また、プラズマ加工部Ｔ１の真空チャンバー１０Ａ（１０Ｂ）をアーク電源２２の陽極側を接続して、陽極１４と同電位にすれば、より扁平円柱状（円盤状）にプラズマが広がり、プラズマ密度が増大して、プラズマ加工（表面処理）プロセスが効率的となる。
【００７１】
なお、プラズマ拡散磁界発生器３６は、図５に示す如く真空チャンバーの外部に設けてもよい。また、本実施形態では、図例の如く、プラズマの広がりを制御するためのプラズマ拡散補助磁界発生器３８を備えることもできる。この補助磁界発生器３８はプラズマ安定化磁界発生器１８の磁界に対して同方向のミラー形の印加磁界対を形成し、プラズマ拡散磁界発生器３６の磁界に対して逆方向のカスプ形の印加磁界対を形成する。このため、補助磁界発生器３８の磁速密度を増大させることにより、カスプ磁界対のプラズマ拡散力を調整できる。
【００７２】
図４におけるドロップレット捕集部Ｄ３では、プラズマ加工部を形成する真空チャンバー周壁に連続する下方へ縮径して閉じるテーパー筒状体（円錐、多角錐等）で形成したものである。当該形状により、固体状ドロップレットがプラズマ加工部Ｔ１へ乱反射するのを低減することができる。このときのテーパー角度はチャンバー軸線（垂直軸）に対して、６０°以下、望ましくは４５°以下とする。略軸線方向に直進してきたドロップレットの上方への反射（跳ね返り）が上方へ向き易いためである。すなわち、６０°で反射角は３０°上方に向かい、４５°では水平方向となる。テーバー角度の下限は特に限定されないが、装置のコンパクト化及びドロップレットの回収容量の見地から、略３０°とする。
【００７３】
図５は、図４の装置の簡易型で、ドロップレット捕集部Ｄ３がプラズマ加工部Ｔ１を形成する真空チャンバ１０Ｂの平板状底壁部１０ｂで兼ねられ、該平板状底壁部１０の外側下方にプラズマ拡散（偏向）用磁界発生器３６を配したものである。陰極１２から発生するドロップレットが液状のみで、ドロップレットが真空チャンバー内壁で反射しない場合、このようにドロップレット捕集部がプラズマ加工部Ｔ１を形成する真空チャンバー１０Ｂの内壁の一部で代替できるような形状が利用できる。この構成の場合、プラズマを円柱状に形成するための磁界発生器３６を、容器外部に配置することが容易となり、装置がより簡単になる。
【００７４】
なお、この平板状底壁部１０に、前述のドロップレット吸収体を配することが望ましい。ドロップレット捕集部Ｄ４とプラズマ加工部Ｔ１との位置が近くドロップレットが乱反射によりプラズマに混入し易いためである。
【００７５】
【実験例】
従来の市販真空アーク蒸着装置及び図３に示すプラズマ加工装置（真空アーク蒸着装置）を用いて、陰極：Ｔｉ、陽極：銅として、導入ガスをＯ₂ として、汎用のガラス基板上にＴｉＯ₂ 膜を形成した。
【００７６】
なお、チャンバー内圧力：０．５Ｐａ、アーク電流：５０Ａ、製膜時間：５min とした。
【００７７】
上記でそれぞれ得たＴｉＯ₂ 膜について、光学顕微鏡写真で観察したところ、従来のものにはドロップレットが観察されたのに対し、本実施例の場合はドロップレットがほとんど観察されなかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明をプラズマ加工法に使用するプラズマ加工装置（真空アーク蒸着装置）の一形態を示す概略モデル図
【図２】図１においてプラズマ加工装置の一部（ドロップレット捕集部等）を改良した装置の一部省略要部モデル図
【図３】同じく他の改良した装置の一部省略要部モデル図
【図４】本発明をプラズマ加工法に使用するプラズマ加工装置の他の形態を示す概略モデル図
【図５】図４における簡易型を示す概略モデル図
【図６】図５の装置のプラズマ加工部における基板（被処理物）の配置平面図
【符号の説明】
１０真空チャンバー
１２陰極（カソード）
１４陽極（アノード）
１６トリガ電極
１８アーク安定化磁界発生器
２２アーク電源
２８プラズマ案内磁界発生器（プラズマ誘導磁界発生器）
３０基板（被処理物）
３２筒状体
３４プラズマ屈曲補助磁界発生器（プラズマ誘導磁界発生器）
３６プラズマ拡散磁界発生器（プラズマ誘導磁界発生器）
３８プラズマ拡散補助磁界発生器（プラズマ誘導磁界発生器）
３９ドロップレット反射板
４０ドロップレットエネルギー吸収体
Ｅプラズマ発生部
Ｄ、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４ドロップレット捕集部
Ｇプラズマガイド部
Ｔプラズマ加工部
Ｐプラズマ

Claims

必要により反応性ガスを導入した真空チャンバー内で真空アーク放電を行なってプラズマを発生させて、該プラズマをプラズマガイド部を経てプラズマ加工部に流入させ、該プラズマ加工部に配置された被処理物をプラズマにより表面処理加工を行なう方法であって、
プラズマ発生部からのプラズマ流れを磁界誘導によりプラズマ発生部と対面しない方向に、略直角（８５〜９５°）に屈曲させて前記プラズマ加工部に流入させるとともに、
プラズマの発生時に陰極から副生する固体状のものを含む陰極材料微粒子（以下「ドロップレット」という。）を前記プラズマ流れから分岐させて捕集するプラズマ加工法において、
前記プラズマ発生部を形成する真空チャンバーを前記プラズマ発生部のプラズマ放出軸方向に伸ばし先端を閉じて、前記プラズマ発生部の対面位置に、筒状体のドロップレット捕集部を形成するとともに、
該ドロップレット捕集部及び前記プラズマ発生部を、前記プラズマガイド部の一端に、前記プラズマガイド部の両側に位置するように接続させて、
前記プラズマ流れから分岐させたドロップレットの捕集を、前記ドロップレット捕集部で行うことを特徴とするプラズマ加工方法。
真空チャンバーとプラズマ誘導磁界発生器とを備え、
前記真空チャンバー内に、プラズマ発生部と、プラズマ加工部と、該プラズマ加工部と干渉しない部位に配されるドロップレット捕集部と、前記プラズマ発生部と前記プラズマ加工部とを接続するプラズマガイド部とを備え、
前記プラズマ誘導磁界発生器は、前記プラズマ発生部からのプラズマ流れを前記プラズマ加工部へ向かうように略直角（８５〜９５°）に屈曲させる誘導磁界を発生するものであるプラズマ加工装置において、
前記プラズマ発生部を形成する真空チャンバーを前記プラズマ発生部のプラズマ放出軸方向に伸ばし先端を閉じて、前記プラズマ発生部の対面位置に筒状体の前記ドロップレット捕集部が形成されているとともに、
該ドロップレット捕集部及び前記プラズマ発生部が、前記プラズマガイド部の一端に、該プラズマガイド部の両側に位置するように接続されている、
ことを特徴とするプラズマ加工装置。
前記ドロップレット捕集部内に、ドロップレットの運動エネルギーを吸収するドロップレットエネルギー吸収体が配されていることを特徴とする請求項２記載のプラズマ加工装置。