JP4319556B2 - プラズマ生成装置 - Google Patents

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）をドロップレット捕集部に補集するようにし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加工を行うことができる。

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

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。

しかし、上記磁気フィルタ法には、下記のような問題点が存在する。ドロップレットは湾曲する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。しかし、通常ダクトが細いため、その作業が容易ではない。また、ドロップレットが厚さ０．５ｍｍ程度に堆積すると、その堆積物が内壁から剥がれ、プラズマ内へ不純物として混入するおそれがある。更に、黒鉛のような高融点材料を陰極に用いた場合には、ドロップレットが完全に液化せず、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放出され、被加工物表面に付着してしまうことがある。

この問題を解決するために、本発明者等の一部は先にプラズマ加工法を提案している。この方法は、特開２００２−８８９３号公報（特許文献１）として公開され、図１４に示されている。尚、この図１４中で符号Ｇｔはガス導入システムであり、Ｇｈはガス排出システムであって、符号Ｖは電源を示している。この従来のプラズマ加工法では、図１４に示されるように、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ってプラズマを発生させて、前記プラズマをプラズマ加工部Ｔに流入させる。そして、このプラズマ加工部Ｔに配置された被処理物１３０をプラズマにより表面処理加工を行う。

プラズマ発生部Ｅから放出されるプラズマ流Ｐは、湾曲磁界によりプラズマ発生部と対面しない方向に屈曲され、前記プラズマ加工部Ｔに流入される。プラズマ発生部Ｅと対面する位置にはプラズマ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）が捕集されるドロップレット捕集部Ｄが配置されている。

このプラズマ加工法では、プラズマ流を湾曲磁界によりドロップレット流から略直交方向に分岐させ、ドロップレット捕集部がプラズマ流路から完全に分離されている。従って、ドロップレットの捕集除去が容易に行われ、ドロップレットのプラズマ加工部への混入をほとんど防止できるものである。
特開２００２−８８９３号公報 P.J.Martin, R.P.Netterfield and T.J.Kinder, Thin Solid Films 193/194 (1990)77

ところが、このプラズマ加工法では、図１４に折線矢印で示すように、アーク放電部からドロップレット捕集部Ｄに向けて進行してくるドロップレットが、プラズマが進行するプラズマ進行路の側壁１０１に衝突する場合がある。このドロップレットが反射してプラズマ進行路に進入し、処理物１３０の表面に付着する場合があった。このように、従来のプラズマ加工装置では、プラズマ流とドロップレット流とが完全には分離できなかった。そのため、プラズマ進行路にドロップレットが進入する可能性があり、高純度の被膜を形成することが困難であった。

本発明は、上記した従来の問題に鑑みてなされたものであって、アーク放電部から進行してくるプラズマとドロップレットとを確実に分岐して、プラズマはプラズマ進行路に導かれ、ドロップレットはドロップレット捕集部内に確実に捕集されるプラズマ生成装置を提供することを目的とする。また、ドロップレット進行路に特別な部材を構成して、プラズマ進行路にドロップレットが進入することを確実に防止できるプラズマ生成装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために提案されたものであって、本発明の第１の形態は、真空雰囲気下に設定された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）をドロップレット捕集部に捕集するようにしたプラズマ生成装置において、前記プラズマと前記ドロップレットが混合状態で進行する主進行路を設け、この主進行路の途中部に前記プラズマと前記ドロップレットの進行を制限するための制限板が内方に向けて設けられ、この制限板を通過後に前記主進行路を、前記ドロップレットが主進行路方向に進行するドロップレット進行路と前記プラズマが磁界により屈曲されて進行する第１プラズマ進行路とに略Ｔ字形に分岐し、前記制限板を通過したドロップレットを前記ドロップレット捕集部に向けて反射させる斜行壁が設けられており、この斜行壁は、前記ドロップレット進行路の側壁部に設けられ、しかも前記第１プラズマ進行路を越えた位置に形成されているプラズマ生成装置である。

本発明の第２の形態は、前記ドロップレット進行路内において、前記斜行壁に連続して反射板が配置され、この反射板が前記ドロップレット捕集部の近傍に位置され、この反射板により反射されるドロップレットを、前記ドロップレット捕集部に回収するプラズマ生成装置である。

本発明の第３の形態は、前記斜行壁が、前記アーク放電部から進行する前記ドロップレットが、前記制限板で制限された空間内で、側壁で１回も反射されずに直進衝突する位置に少なくとも配置されているプラズマ生成装置である。

本発明の第４の形態は、前記斜行壁が、前記アーク放電部から進行する前記ドロップレットが、前記制限板で制限された空間内で、側壁で１回反射されて直進衝突する位置に少なくとも配置されているプラズマ生成装置である。

本発明の第５の形態は、前記斜行壁が、前記アーク放電部から進行する前記ドロップレットが、前記制限板で制限された空間内で、側壁に２回反射されて直進衝突する位置に少なくとも配置されているプラズマ生成装置である。

本発明の第６の形態は、前記主進行路は、前記アーク放電部から直進向きの第１主進行路と、この第１主進行路から屈曲して延設された第２主進行路とから構成されてい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プラズマ進行路から前記主進行路の反対方向に向けて屈曲される第２プラズマ進行路が延設され、この第２プラズマ進行路の分岐部に補助ドロップレット捕集部が設けられてい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１プラズマ進行路に対する前記第２プラズマ進行路の屈曲角が直角以上であるプラズマ生成装置である。

本発明の第９の形態は、前記第１プラズマ進行路に対する前記第２プラズマ進行路の屈曲角が直角未満の鋭角であるプラズマ生成装置である。

本発明の第１０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を行ってプラズマを発生させ、プラズマ発生時に陰極から副生される陰極材料粒子（ドロップレット）をドロップレット捕集部に捕集するようにしたプラズマ生成装置において、前記プラズマと前記ドロップレットが混合状態で進行する主進行路を設け、この主進行路の途中部に前記プラズマと前記ドロップレットの進行を制限するための制限板が内方に向けて１箇所以上設けられ、この制限板を通過後に前記主進行路を、前記ドロップレットが主進行路方向に進行するドロップレット進行路と前記プラズマが磁界により屈曲されて進行する第１プラズマ進行路とに略Ｔ字形に分岐し、前記ドロップレット進行路の先端部に前記ドロップレット捕集部が設けられているプラズマ生成装置である。

本発明の第１１の形態は、前記プラズマ進行路の先端部に補助ドロップレット捕集部が設けられ、この補助ドロップレット捕集部の手前側で前記第1プラズマ進行路から屈曲された位置に第２プラズマ進行路が延設されているプラズマ生成装置である。

本発明の第１２の形態は、前記ドロップレット捕集部及び／又は前記補助ドロプレット捕集部に複数の緩衝板を付設し、前記ドロップレットを緩衝板に衝突反射させるプラズマ生成装置である。

本発明の第１３の形態は、前記緩衝板が平面板形状を有し、この緩衝板が捕集部開口面に対して斜めに配置されるプラズマ生成装置である。

本発明の第１４の形態は、前記緩衝板が三角柱形状を有し、捕集部開口面に対して２つの三角柱側面が傾斜するように前記緩衝板を配置するプラズマ生成装置である。

本発明の第１５の形態は、前記ドロップレット捕集部及び／又は前記補助ドロプレット捕集部にドロップレット堆積部が設けられ、このドロップレット堆積部の幅が底部に近付くにつれて縮径するプラズマ生成装置である。

本発明の第１６の形態は、前記第１プラズマ進行路及び／又は第２プラズマ進行路には、プラズマの進行路が徐々に縮径するプラズマセンタリング絞り部が付設され、このプラズマセンタリング絞り部によりプラズマ流の断面径を絞り込むプラズマ生成装置である。

本発明の第１７の形態は、前記プラズマセンタリング絞り部の外側に絞り磁界発生器が設置され、この絞り磁界発生器を構成するコイルの巻数がプラズマの進行方向に従って増加するプラズマ生成装置である。

本発明の第１８の形態は、プラズマの進行方向をｚ軸方向、垂直な平面をｘｙ平面とした場合において、前記プラズマセンタリング絞り部の出力側に偏向コイルが付設され、前記プラズマセンタリング絞り部を通過したプラズマをｘｙ平面上に走査するプラズマ生成装置である。

本発明の第１９の形態は、第１〜第１１形態のいずれかの生成装置で説明したように、プラズマ進行路の進行方向最終端部に、このプラズマ進行路を進行したプラズマを流入させるプラズマ加工部が配置され、このプラズマ加工部に配置された被処理物に対し前記プラズマにより表面処理加工が行われるプラズマ生成装置である。

本発明の第２０の形態は前記プラズマ加工部に被処理物を配置する場合に、プラズマの流れに沿った被処理物の前後の外周に磁界発生器が付設されるプラズマ生成装置である。

本発明の第１の形態によれば、アーク放電部におけるアーク放電によって発生されたプラズマとドロップレットは、制限板によって飛行空間が制限されて主進行路を進行する。即ち、陰極から半空間中に放出される粒子群のうち、制限板により開放される立体角へのみ粒子群は進行し、その他の粒子群は制限板により遮断され、主進行路への進入を阻止される。制限板の形状・位置・段数は適宜に最適状態に設定される。前記制限板は、真空チェンバーの内壁に沿って設置される場合以外に、プラズマ発生部よりも狭い径を有するドロップレット進行路を設置することにより、プラズマ発生部とドロップレット進行路を接続する接続板、又はフランジ自体を制限板として機能させることができる。制限板で許される開口部を通過した後、ドロップレットは前進してドロップレット進行路に到達し、プラズマ流は磁界に束縛されて屈曲し、略Ｔ字形に分岐される第１プラズマ進行路へと進入する。この段階で、プラズマ流とドロップレット流とは略直角方向に分離される。ドロップレット進行路では、側壁に一体に形成された斜行壁に衝突したドロップレットはドロップレット捕集部に向けて反射されてドロップレット捕集部に確実に捕集される。

前記斜行壁は、制限板を通過するドロップレットの内、この斜行壁に衝突するドロップレットをドロップレット捕集部に反射誘導するように、幾何学的位置関係が規制されている。従って、本装置によれば、アーク放電部から進行してくるプラズマとドロップレットを確実に分離できる。そして、プラズマは第１プラズマ進行路に導かれ、ドロップレットはドロップレット捕集部内に確実に捕集されることができる。このように、制限板と斜行壁を設けることにより、プラズマ進行路にドロップレットが進入することを確実に防止できる。しかも、斜行壁はドロップレット進行路を形成する側壁部に一体に構成されるから、内部構造を簡略化したプラズマ生成装置が提供される。

本発明の第２の形態によれば、制限板でその進行空間を制限されたドロップレットの中で、ドロップレット進行路で斜行壁によって反射されずに直進進行したドロップレットはこの反射板によって反射され、ドロップレットをドロップレット捕集部に捕集することができる。また、ドロップレット進行路を囲む側壁で反射され、この反射板に衝突するドロップレットは、全てドロップレット捕集部へと反射捕集される。従って、斜行壁と反射板の協働作用により、殆どすべてのドロップレットがドロップレット捕集部に回収され、第１プラズマ進行路に屈曲誘導されるプラズマ中からほぼ完全にドロップレットを排除することが可能になる。

本発明の第３の形態によれば、制限板を通過したドロップレットの内、進行路（主進行路及びドロップレット進行路）の側壁で１回も反射されずに直進するドロップレットは、この斜行壁と反射板のいずれかに衝突し、反射後にドロップレット捕集部に回収されることとなる。このことによって、進行路の側壁で１回も反射されずに直進したドロップレットは、第１プラズマ進行路内に入り込むことがない。従って、第１プラズマ進行路内ではプラズマだけを進行させることができる。このように、第１プラズマ進行路には純粋のプラズマだけが存在するから本装置の最終手段として付設される加工部では、被処理物の表面はプラズマだけで加工処理することができ、ドロップレットが被処理物の表面に付着することがない。

本発明の第４の形態によれば、進行路（主進行路及びドロップレット進行路）の側壁で１回だけ反射されて直進するドロップレットは、斜行壁と反射板のいずれかに衝突することになり、斜行壁又は反射板で反射されたドロップレットはドロップレット捕集部に回収されることになる。このことによって、主進行路やドロップレット進行路の側壁で１回反射されて直進するドロップレットは、第１プラズマ進行路内に入り込むことがない。従って、第１プラズマ進行路内では純粋プラズマだけを進行させることができ、被処理物の表面処理を高純度のプラズマだけで実現することができる。ドロップレットが被処理物の表面に付着することがないから、被膜の高品質性を保証できる。

本発明の第５の形態によれば、進行路（主進行路及びドロップレット進行路）の側壁で２回反射されて直進するドロップレットは、前記斜行壁と反射板のいずれかに衝突することとなる。上記と同様の理由により、主進行路又はドロップレット進行路の側壁で２回反射されて直進するドロップレットは、第１プラズマ進行路内に入り込むことがない。前記第３形態又は／及び第４形態との協働作用により、第１プラズマ進行路内では純粋プラズマだけを進行させることができる。このことにより、被処理物の表面処理を行う装置では、被処理物はプラズマだけで加工処理することができ、ドロップレットが被処理物の表面に付着することがない。

本発明の第６の形態によれば、第１主進行路から屈曲して延設された第２主進行路にプラズマとドロップレットが進行される。このとき、第１主進行路から屈曲する箇所でドロップレットをドロップレット進行路に向けて反射して直進進行させることができる。このことにより、このドロップレットが第１プラズマ進行路に進入することを防ぐことができる。更に、ドロップレット進行路を直進進行してきたドロップレットは、斜行壁又は／及び反射板によって、ドロップレット捕集部に向けて反射され、ドロップレット捕集部に確実に捕集することができる。制限板は第１主進行路又は／及び第２主進行路に設けることができ、プラズマ流とドロップレット流を斜行壁や反射板、又はドロップレット捕集部に誘導して、第１プラズマ進行路の純粋プラズマ性を確実にできる。

本発明の第７の形態によれば、第１プラズマ進行路から屈曲して延設された第２プラズマ進行路にプラズマが誘導される。このとき、もし第１プラズマ進行路に進行してくる微量のドロップレットがあれば、このドロップレットを補助ドロップレット捕集部に捕集することができる。このことにより、更に一層、ドロップレットが第２プラズマ進行路に進行することを防ぐことができる。したがって、第２プラズマ進行路内には、ドロップレットが混入していない純粋のプラズマだけを誘導することができる。また、第２プラズマ進行路は、第１プラズマ進行路に対して立体角４π内の任意の方向に延設することができ、プラズマ生成装置が設置される空間に合わせて、屈曲角及び延設する方向を決定することができる。

本発明の第８の形態によれば、第１プラズマ進行路から直角以上に第２プラズマ進行路が屈曲しているので、第１プラズマ進行路に進行してくる微量のドロップレットは、進行路の側壁で反射するための運動エネルギーを殆ど消滅している。従って、ドロップレットは直角以上に屈曲した第２プラズマ進行路内に進行することがない。

本発明の第９の形態によれば、第１プラズマ進行路から直角未満の鋭角に第２プラズマ進行路を屈曲させているので、ドロップレットは、鋭角に反射することが殆どないために、この第２プラズマ進行路内に進行することを防ぐことができる。

本発明の第１０の形態によれば、主進行路に１箇所以上の制限板を設けるから、プラズマとドロップレットが更に制限された状態で進行し、直進進行するドロップレットの殆どがドロップ捕集部に捕集される。即ち、第１制限板を通過したドロップレットは、直進・反射して第２制限板により規制される。更に、第３制限板を設ければ、この規制は更に強くなり、ドロップレット進行路へと極力直進状態で誘導でき、ドロップレットの捕集を確実にできる。従って、プラズマ進行路への進入はほぼ完全に遮断され、プラズマ進行路には高純度のプラズマのみが誘導される。

本発明の第１１の形態によれば、プラズマ流が誘導される第１プラズマ進行路に進入してくる微量の残存ドロップレットが、補助ドロップレット捕集部に全てが捕集され、第２プラズマ進行路への進入は完全に遮断される。従って、第２プラズマ進行路には、より高純度のプラズマのみが誘導される。

本発明の第１２の形態によれば、前記ドロップレット捕集部及び／又は前記補助ドロップレット捕集部に複数の緩衝板を付設することにより、前記ドロップレットをその飛行速度が失われるまで繰返し衝突反射させることができる。従って、飛行速度を失うまでドロップレットを衝突反射させることで、ドロップレットをドロップレット捕集部の底部、側壁又は緩衝板に確実に付着又は堆積させることができる。従って、一旦、ドロップレット捕集部に入射したドロップレットは確実に捕集され、プラズマ進行路へ進行するプラズマの純度をより一層高く保持することができる。

本発明の第１３の形態によれば、前記緩衝板を捕集部開口面に対して斜めに配置することにより、入射するドロップレットは飛行速度がゼロになるまで、緩衝板又はドロップレット捕集部の内壁に衝突反射され、前記ドロップレットの飛行速度を確実に消失できる。即ち、緩衝板が斜め配置されたドロップレット捕集部において、ドロップレットはその飛行速度が完全にゼロになるまで十分な回数の衝突反射が引き起こされ、ドロップレット捕集部に確実にドロップレットを捕集することができる。

本発明の第１４の形態によれば、三角柱側面に入射してくるドロップレットを衝突反射させることにより、前記ドロップレットを確実に捕集することができる。即ち、飛行速度を失うまでドッロプレットを衝突反射させることにより、ドロップレットはドロップレット捕集部の底部、側壁又は緩衝板に確実に付着又は堆積される。

本発明の第１５の形態によれば、前記ドロップレット捕集部及び／又は前記補助ドロップレット捕集部にドロップレット堆積部を設けることにより、確実にドロップレットを捕集することができる。更に、このドロップレット堆積部の幅は、底部に近付くにつれて縮径されているから、前記ドロップレットはドロップレット堆積部の内周面で多重反射されながら運動エネルギーを失い、前記底部へと集中的に前進する。その結果、前記ドロップレットはドロップレット堆積部底部又は側壁に付着又は堆積する。前記ドロップレット堆積部の形状は、ドロップレットの進行方向に突出し、且つ縮径するテーパー筒状又は湾曲筒状であるから、前記ドロップレットを確実に捕集することができる。

本発明の第１６の形態によれば、第１プラズマ進行路又は第２プラズマ進行路にプラズマ進行路の断面径が徐々に縮径するプラズマセンタリング絞り部が付設され、このプラズマセンタリング絞り部によりプラズマ流の断面径を絞り、更にプラズマがプラズマ進行路の中央部を通過するように制御することができる。従って、ビーム状の高密度プラズマ流が形成され、このプラズマ流を基板表面に照射すると共に走査することによって、均質な薄膜を作成することができる。前記プラズマセンタリング絞り部は、例えば、幾何学的制限を加えるガイド壁、好ましくは進行方向に向かって縮径する半円錐状ガイド壁から構成されることができる。

本発明の第１７の形態によれば、前記プラズマセンタリング絞り部に絞り磁界発生器が付設され、そのコイルの巻数をプラズマ進行方向に従って増加させるから、プラズマの進行方向に沿って磁界を増強でき、高効率にプラズマ流の径を絞ることができる。即ち、プラズマは磁界に誘導されて進行するから、前記プラズマセンタリング絞り部を通過するプラズマは周壁に衝突されることなく集束され、更に磁界の増強に伴って一層に集束されるから、高効率にビーム状の高密度プラズマ流を形成することができる。

本発明の第１８の形態によれば、前記プラズマセンタリング絞り部の出力側に偏向コイルが付設され、前記プラズマセンタリング絞り部を通過したプラズマをｘｙ平面上に走査することができる。ビーム状の高密度プラズマ流をｘｙ方向に走査することによって、高密度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。

本発明の第１９の形態によれば、高純度のプラズマ流をプラズマ加工部に導入できる。即ち、プラズマ進行路には、ドロップレットの進行が防止されるので、最終段のプラズマ進行路にはプラズマだけが進行してくる。従って、プラズマ加工部に配置された被処理物に対し、高純度のプラズマだけで表面処理加工を行うことができる。この被処理物にはドロップレットが付着しないので、高品質の被膜を形成できる。

本発明の第２０の形態によれば、前記プラズマ加工部に被処理物を配置する場合に、プラズマの流れに沿った被処理物の前後の外周に磁界発生器を付設するから、被処理物の表面近傍に一様な磁界を形成できる。この一様磁界により前記プラズマ流を一様化できるから、プラズマを被処理物表面に一層均質に照射することができ、高品質な被膜を被処理物表面に形成することができる。

以下、本発明に係るプラズマ生成装置の実施形態を、添付する図面に基づいて詳細に説明する。本発明においては、被処理物を加工するプラズマ加工部を付設した装置又はプラズマ加工部を付設しない装置の両方がプラズマ生成装置として包含される。プラズマ加工部を有するプラズマ生成装置は、プラズマ加工装置と称されてもよい。図１は本発明に係るプラズマ生成装置の第１実施形態の断面構成図である。本装置にプラズマ加工部を付設することにより、プラズマ加工装置となる。

この第１実施形態のプラズマ生成装置は、図１に示すように、被処理物Ｔを含むプラズマ加工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たプラズマ加工法は、一般的に、真空雰囲気下で真空アーク放電を行ってプラズマを発生させ、プラズマをプラズマ加工部に移動させ、この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う方法である。更に、前記プラズマ加工法には必要に応じて反応性ガスを導入することもできる。尚、このプラズマ加工法は、後述する第２〜第７実施形態で説明されるプラズマ生成装置についても基本的に同様な構成を有し、プラズマ加工部を含めたプラズマ加工装置もプラズマ生成装置と称される。

プラズマの構成粒子は、アーク放電部１の陰極１ａからの蒸発物質、若しくは前記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^−１０〜１０^２Ｐａ（望ましくは１０^−６〜１０^２Ｐａ、更に望ましくは１０^−５〜１０^１Ｐａ）である。

図１のプラズマ生成装置は、基本的に、真空チャンバーＳ内に形成されるアーク放電部１、このアーク放電部１で発生したプラズマとドロップレットが混合状態で進行する主進行路２を有する。更に、ドロップレットがドロップレット捕集部３に向けて進行するドロップレット進行路４、湾曲磁界によりドロップレットが分離されたプラズマが進行する第１プラズマ進行路５を有する。更に、第１プラズマ進行路５を前進するプラズマにより被処理物Ｔの表面処理加工を行うプラズマ加工部６を有するものである。

アーク放電部１は、陰極（カソード）１ａ、陰極プロテクタ１ｂ、陽極（アノード）１ｃ、トリガ電極１ｄ、アーク安定化磁界発生器（電磁コイル若しくは磁石）１ｅ及び１ｆを備えている。陰極１ａ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。

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等がある。また、合金（金属化合物）としては、ＴｉＡｌ、ＡｌＳｉ、ＮｄＦｅ等がある。また、無機単体としては、Ｃ、Ｓｉ等がある。また、無機化合物（セラミックス）としては、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ、ＳｎＯ_２、ＩＴＯ（Indium-Tin-0xide ：スズ混入酸化インジウム）、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｃｄ_２ＳｎＯ_４、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。

陰極プロテクタ１ｂ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１ａと陽極１ｃ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。この陰極プロテクタ１ｂとして汎用の耐熱セラミックス等を使用できる。また、陰極１ａとの間に電気絶縁層（単に空隙、あるいはセラミックスや弗素樹脂をはさむ）を形成する場合には、汎用のステンレス鋼、アルミニウム合金等を使用できる。また，陰極プロテクタ１ｂは低導電率の炭素材（処理温度８００〜２０００℃程度のアモルファス炭素や，テフロン（登録商標）含浸炭素）でもよい。

また、上記において陰極プロテクタ１ｂ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ることもできる。そうすれば、真空チャンバーＳの外側に配置されたアーク安定化磁界発生器１ｅ及び／又は１ｆから印加される磁界により、陰極プロテクタ１ｂ自体も磁化されてプラズマに直接的に作用する。このことにより、発生プラズマ分布の調整が容易となる。

陽極１ｃ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。第１実施形態において、陽極１ｃ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１ｃ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１ｃの形状はアークプラズマの全体の進行を遮るものでなければ、特に限定されない。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、更には、上下・左右に一対平行に配置して形成してもよい。又は、上下左右のどこか１箇所、又は複数箇所に配置して形成してもよい。

トリガ電極１ｄは、陰極１ａと陽極１ｃとの間に真空アークを誘起するための電極である。即ち、前記トリガ電極１ｄを一時的に陰極１ａの表面に接触させ、その後引き離すことで、この陰極１ａとトリガ電極１ｄとの間で、電気スパークを発生させる。電気スパークが発生すると、陰極１ａと陽極１ｃ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１ｄ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℃）等が用いられる。又、トリガ電極１ｄは炭素材、好ましくは、黒鉛（グラファイト）から形成される。

アーク安定化磁界発生器１ｅ及び１ｆは、アーク放電部１における真空チャンバーＳの外周に配置され、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。プラズマに対する印加磁界が互いに逆方向（カスプ形）となるようにアーク安定化磁界発生器１ｅ及び１ｆが配置された場合、プラズマはより安定する。プラズマの引き出し効率を優先する場合、又は陽極が陰極面に対向しプラズマの進行を妨げない位置に配置されている場合、印加磁界が互いに同方向（ミラー形）となるように配置することもできる。又、図１ではアーク安定化磁界発生器１ｅは真空チャンバーＳの外周に配置してあるが、真空チャンバーＳ端における陰極１ａの絶縁導入端子１ｈ近傍に配置することもできる。

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１ｅ及び１ｆ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。また、磁界発生器１ｆは、後述の第１プラズマ誘導磁界発生器１０と兼用してもよく、その場合、プラズマ誘導磁界発生器の数を少なくできる利点がある。

そして、陰極１ａ、陽極１ｃ及びトリガ電極１ｄは、それぞれ、絶縁導入端子１ｈを介して外部のアーク電源１ｉと接続されている。アーク電源１ｉ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。尚、トリガ電極１ｄとアーク電源１ｉとの間には、通常、トリガ電極１ｄに流れる電流を制限（調整）するための制限用抵抗（１〜１０Ω）１ｍを挿入する。

プラズマ加工部（処理部）６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１から導入してもよく、プラズマ加工部（処理部）６とアーク放電部１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。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。

この反応性ガスが、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。反応性ガスとしては、窒素（Ｎ_２）、酸素（Ｏ_２）、水素（Ｈ_２）、炭化水素ガス（Ｃ_２Ｈ_２、Ｃ_２Ｈ_４、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６等）、酸化炭素ガス（ＣＯ、ＣＯ_２）の群から１種又は複数種を適宜に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。又、アルコールの蒸気、有機金属ガス、又は有機金属液体の蒸気等を反応性ガスとして用いることができる。

このプラズマ加工装置においては、上記した基本構成において、放出直後のプラズマＰをプラズマ加工部６へ磁界誘導により屈曲させて移動させる。これとともに、プラズマの発生時に陰極１ａ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６と干渉しないドロップレット捕集部３に移動させて捕集堆積させるものである。

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。この第１実施形態では、図１に示すように、主進行路２を、ドロップレットが進行するドロップレット進行路４とプラズマが進行する第１プラズマ進行路５とに略Ｔ字形に分岐している。

更に、主進行路２の途中部にプラズマとドロップレットの進行を制限するための制限板７が内方に向けて設けられている。更に、この制限板７を通過したドロップレットをドロップレット捕集部３に向けて斜行壁８が設けられている。この斜行壁８は、ドロップレット進行路４の途中部に設けられ、しかも第１プラズマ進行路５を越えた位置に形成されている。

即ち、この斜行壁８は、ドロップレット進行路４における第１プラズマ進行路５との分岐部分に、図１にて上向きでかつ斜め右向きに急傾斜した状態で設けられている。この斜行壁８における第１プラズマ進行路側の端部は、主進行路２における第１プラズマ進行路側右側端部より第１プラズマ進行路５側に入り込んだ箇所に位置している。

更に、ドロップレット進行路４内において、斜行壁８に連続して反射板９が更に緩傾斜した状態で配置されている。しかも、この反射板９はドロップレット捕集部３の近傍に位置している。

また、主進行路２の進行方向途中部の外側位置に、主進行路２内を進行するプラズマの進行を促進するための第１プラズマ誘導磁界発生器１０を備えた第１ガイド部１２が設けてある。また、直進するプラズマを第１プラズマ進行路５内へ屈曲させるために、傾斜配置された第２プラズマ誘導磁界発生部１１を備えた第２ガイド部１３が設けられている。更に、第１プラズマ進行路５の進行方向基端部の外側位置には、プラズマを第１プラズマ進行路５内に屈曲させ、プラズマ加工部６へ向けて移動させる第３プラズマ誘導磁界発生部１４が設けられている。

この第３プラズマ誘導磁界発生部１４には、第１プラズマ進行路内においてプラズマが中央に位置するように制限するプラズマセンタリング絞り部１５が縮径して設けられている。このプラズマセンタリング絞り部１５は、単に幾何学的制限を加えるガイド板から構成することもでき、好ましくは、進行方向に向かって縮径する半円錐状ガイド板から構成される。また、この第３プラズマ誘導磁界発生部１４のプラズマ進行方向にも、第４プラズマ誘導磁界発生部１６が設けられている。

一方、ドロップレット捕集部３は、ドロップレット進行路４の左側壁より若干左側に凹んだ状態で形成されている。このドロップレット捕集部３内には、複数枚の緩衝板１７が捕集部開口面３ａに対して斜めに配置されている。ドロップレット捕集部３内に進入したドロップレットは、緩衝板１７に衝突反射することによってドロップレット捕集部３の底部に至るように構成されている。

図２は本発明に係るプラズマ生成装置の第１実施形態においてその変形例の断面構成図である。図２では、図１における第３プラズマ誘導磁界発生部１４に設置された誘導磁界発生器１４ａが絞り磁界発生器１４ｂに置き換えられている。この絞り磁界発生器１４ｂは、プラズマセンタリング絞り部１５に沿って巻回された電磁コイルであり、電磁コイルの巻数がプラズマＰの進行方向に沿って次第に増加されている。従って、プラズマの進行方向に沿って磁界が増強され、プラズマＰを高効率に絞り、しかもプラズマをプラズマセンタリング絞り部１５の中心軸を通るようにセンタリングすることができる。

図３は、本発明に係るプラズマセンタリング絞り部１５及びプラズマ加工部６におけるプラズマ制御機構の説明図である。このプラズマ制御機構によりプラズマ流（プラズマ）Ｐからビーム状の高密度プラズマ流Ｐｈが形成され、この高密度プラズマ流Ｐｈは、偏向コイル２２により被処理物Ｔの表面上を走査される。（３Ａ）はプラズマ制御機構の全体図である。第１プラズマ進行路５に進行路断面径が徐々に縮径するプラズマセンタリング絞り部１５が形成されている。このプラズマセンタリング絞り部１５によりプラズマ流Ｐの径が機械的に絞られ、プラズマ進行路の中央部を通過するように制御（センタリング）される。従って、ビーム状の高密度プラズマ流Ｐｈが形成され、この高密度プラズマ流Ｐｈを被処理物Ｔ表面に照射すると伴に偏向コイル２２によって走査し、均質な被膜を作成することができる。前記プラズマセンタリング絞り部１５は、幾何学的制限を加えるガイド壁、好ましくは進行方向に向かって縮径する半円錐状ガイド壁から構成される。

更に、前記プラズマセンタリング絞り部１５の外周に付設された絞り磁界発生器１４ｂを構成するコイルは、プラズマの進行方向に沿って巻かれ、且つ進行方向に沿ってコイルの巻数が増加されている。プラズマ流Ｐは磁界ｂに誘導されて進行するから、前記プラズマセンタリング絞り部１５を通過するプラズマは壁面に衝突反射することがない。また、そのプラズマ流Ｐのほとんどが磁界ｂの増強に伴って集束され、高効率にビーム状の高密度プラズマ流Ｐｈが形成される。

（３Ｂ）は、プラズマ流走査部２４の断面図である。前記プラズマセンタリング絞り部１５の出力側に偏向コイル２２が付設されている。プラズマ流の進行方向をＺ軸、進行方向に垂直な面をＸＹ平面とすると、前記プラズマセンタリング絞り部１５を通過した前記高密度プラズマ流Ｐｈは、偏向コイル２２によりｘｙ方向に掃引される。更に詳細には、電磁石２２ａ、２２ｂが作る磁界によりＸ方向に高密度プラズマ流Ｐｈを掃引し、電磁石２２ｃ、２２ｄが作る磁界によりＹ方向に高密度プラズマ流Ｐｈを掃引する。即ち、電磁石２２ａ、２２ｂが作るＸ方向の磁界と電磁石２２ｃ、２２ｄが作るＹ方向の磁界との合成磁界によって、高密度プラズマ流ＰｈをＸＹ方向に掃引する。左右に付設された電磁石２２ａと２２ｂ、及び上下に付設された電磁石２２ｃと２２ｄは、夫々、電気的に連動している。これらの電磁石２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄとして鞍型コイルが望ましいが、公知の偏向コイルが利用できる。高密度プラズマ流Ｐｈをｘｙ方向に走査することにより、一様に前記高密度プラズマ流Ｐｈを被処理物Ｔ表面全体に一様に照射することができる。従って、高品質な被膜を作成することができる。

（３Ｃ）は、プラズマ流走査部２４の変形例である。この変形例において、高密度プラズマ流Ｐｈの掃引機構は（３Ｂ）と同様である。しかし、第１プラズマ進行路５の断面は円形状に形成され、その形状に沿って湾曲するように電磁石２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄが外周に付設されている。

（３Ａ）において、加工部前方６ａ及び加工部後方６ｂの外周に磁界発生器２６ａ、２６ｂが設けられている。二つの磁界発生器２６ａ、２６ｂを設けることにより、被処理物Ｔの表面近傍に一様な磁界ｂが発生し、前記プラズマ流Ｐが被処理物Ｔの表面に一様に照射される。従って、被処理物Ｔに一層に均質な被膜を形成することができる。

図４は同装置におけるアーク放電部から進行するドロップレットが主進行路の側壁で１回も反射されずに進行する状態を示す説明図である。図４に示すように、この第１実施形態のプラズマ生成装置では、斜行壁８は、アーク放電部１から進行するドロップレットが、制限板７で制限された空間内で、主進行路２の側壁で１回も反射されずに直進衝突する位置に配置されている。従って、主進行路２の側壁で１回も反射されずに直進するドロップレットは、斜行壁８と反射板９のいずれかに衝突することとなる。

このことによって、主進行路２の側壁で１回も反射されずに直進したドロップレットは、第１プラズマ進行路５内に入り込むことがない。したがって、第１プラズマ進行路５内ではプラズマだけが進行することとなり、被処理物Ｔはプラズマだけで加工処理することができ、ドロップレットが被処理物Ｔの表面に付着することがない。

図５は同装置におけるアーク放電部から進行するドロップレットが主進行路の側壁で１回反射されて進行する状態を示す説明図である。図６に示すように、斜行壁８は、アーク放電部１から進行するドロップレットが、制限板７で制限された空間内で、主進行路２の側壁で１回反射されて直進衝突する位置に配置されている。

従って、主進行路２及びドロップレット進行路４の側壁で１回反射されて直進するドロップレットは、この斜行壁８と反射板９のいずれかに衝突することとなる。このことによって、主進行路２及びドロップレット進行路４の側壁で１回反射されて直進したドロップレットは、第１プラズマ進行路５内に入り込むことがない。したがって、第１プラズマ進行路５内ではプラズマだけが進行することとなり、被処理物Ｔはプラズマだけで加工処理することができ、ドロップレットが被処理物Ｔの表面に付着することがない。

図６は同装置におけるアーク放電部から進行するドロップレットが主進行路及びドロップレット進行路の側壁で２回反射されて進行する状態を示す説明図である。図６に示すように、斜行壁８は、アーク放電部１から進行するドロップレットが、制限板７で制限された空間内で、主進行路２の側壁で２回反射されて直進衝突する位置に配置されている。したがって、主進行路２及びドロップレット進行路４の側壁で２回反射されて直進するドロップレットは、この斜行壁８と反射板９のいずれかに衝突することとなる。

従って、主進行路２及びドロップレット進行路４の側壁で２回反射されて直進するドロップレットは、第１プラズマ進行路５内に入り込むことがない。図４〜図６から分かるように、進行路の側壁で無反射、１回反射又は２回反射するドロップレットは斜行壁８又は反射板９に衝突してドロップレット捕集部３に確実に回収される。３回以上反射するドロップレットは統計学的にほとんど存在しないから、ドロップレットが第１プラズマ進行路に混入することはない。従って、第１プラズマ進行路５内ではプラズマだけが進行することとなり、被処理物Ｔはプラズマだけで加工処理することができ、ドロップレットが被処理物Ｔの表面に付着することがない。

図７は第２実施形態のプラズマ生成装置の内部構造を示す断面構成図である。尚、上記した第１実施例と同一部材、同一箇所には同一符号を付して、その説明を省略する。

図７に示すように、この第２実施形態のプラズマ生成装置は、主進行路２としてはアーク放電部１から直進向きに第１主進行路２Ａが設けられている。この第１主進行路２Ａから右周りに屈曲して第２主進行路２Ｂが延設されている。このように、主進行路２が第１主進行路２Ａと屈曲した第２主進行路２Ｂから構成される点に、第２実施形態の特徴がある。第２主進行路２Ｂは、ドロップレットが進行するドロップレット進行路４とプラズマが進行する第１プラズマ進行路５とに略Ｔ字形に分岐されている。

この第１プラズマ進行路５及びドロップレット進行路４の外側には、プラズマを第１プラズマ進行路５へ誘導するための第１補助プラズマ誘導磁界発生器１８が配置されている。第２主進行路２Ｂを進行してきたプラズマは、第２ガイド部１３及び第１補助プラズマ誘導磁界発生器１８の屈曲磁界により第１プラズマ進行路５に向けて屈曲して誘導されることとなる。

この第２実施形態によれば、主進行路２の第１主進行路２Ａから屈曲して延設された第２主進行路２Ｂにプラズマとドロップレットが進行する。このとき、第１主進行路２Ａから屈曲する箇所でドロップレットをドロップレット進行路４に向けて反射して直進進行させることができる。

このことにより、ドロップレットが第１プラズマ進行路５に進入することを防ぐことができる。更に、ドロップレット進行路４を直進進行してきたドロップレットは、斜行壁８によって、ドロップレット捕集部３に向けて反射され、ドロップレット捕集部３に確実に捕集されることができる。

図８は第３実施形態のプラズマ生成装置の内部構造を示す断面構成図である。尚、上記した第１実施例と同一部材、同一箇所には同一符号を付して、その説明を省略する。

図８に示すように、この第３実施形態のプラズマ生成装置は、アーク放電部から連なる主進行路２が、ドロップレット進行路４と第１プラズマ進行路５とに略Ｔ字形に分岐されている。更に、第１プラズマ進行路５から主進行路２の反対側に向けて９０度屈曲して第２プラズマ進行路１９が延設され、この第２プラズマ進行路１９の分岐部に補助ドロップレット捕集部２０が設けられている。図８では、第1プラズマ進行路５と第２プラズマ進行１９路が同一平面上に形成されているが、第２プラズマ進行路１９を紙面に垂直な方向に延設することも可能である。また、第２プラズマ進行路が延設される場合、その屈曲角は９０度に限定されるものではなく、第１プラズマ進行路から４π空間の全方位へ第２プラズマ進行路を屈曲して延設することが可能である。

更に、この第１プラズマ進行路５の外側には、第５プラズマ誘導磁界発生部２１が設けられている。尚、第３プラズマ誘導磁界発生部１４と第４プラズマ誘導磁界発生部１６とは、第２プラズマ進行路１９側に設けられている。

この第３実施形態によれば、第１プラズマ進行路５から屈曲して延設された第２プラズマ進行路１９にプラズマが進行される。このとき、もし第１プラズマ進行路５に進行してくる残存ドロップレットがあれば、このドロップレットを補助ドロップレット捕集部２０に捕集することができる。このことにより、更に一層、ドロップレットが第２プラズマ進行路１９に進行することを防ぐことができる。

図９は第４実施形態のプラズマ生成装置の内部構造を示す断面構成図である。尚、上記した第１実施形態及び第３実施形態と同一部材、同一箇所には同一符号を付して、その説明を省略する。

図９に示すように、この第４実施形態のプラズマ生成装置は、図６に示す第４実施形態の変形例である。第１プラズマ進行路５から主進行路２の反対側に向けて９０度屈曲され、途中部が更に鈍角に屈曲して第２プラズマ進行路１９Ａが延設されている。そして、この第２プラズマ進行路１９Ａの分岐部に補助ドロップレット捕集部２０が設けられている。

この第４実施形態のプラズマ生成装置によれば、第１プラズマ進行路５が９０度屈曲され途中部が更に鈍角に屈曲して第２プラズマ進行路１９Ａが延設されているので、ドロップレットがこの鈍角に屈曲した部分に進行することが全くなくなり、ドロップレットが第２プラズマ進行路１９Ａに進入することを防止できる。

図１０は第５実施形態のプラズマ生成装置の内部構造を示す断面構成図である。尚、上記した第１実施例と同一部材、同一箇所には同一符号を付して、その説明を省略する。

図１０に示すように、この第５実施形態のプラズマ生成装置は、図７に示す第２実施形態のプラズマ生成装置の変形例であって、主進行路２をアーク放電部１から直進向きに第１主進行路２Ａが設けられている。そして、この第１主進行路２Ａから図にて下向きに屈曲して延設された第２主進行路２Ｂが構成されている。

更に、この第２主進行路２Ｂから第１プラズマ進行路５が略Ｔ字形に９０度屈曲して延設されている。この第１プラズマ進行路５から右周り方向に鋭角（９０度未満）に第２プラズマ進行路１９が屈曲して延設されている。即ち、第１プラズマ進行路５の方向と第２プラズマ進行路１９の方向とがなす角度は９０度未満の鋭角に設定されている。

この第５実施形態のプラズマ生成装置によれば、第１プラズマ進行路５が鋭角に屈曲して第２プラズマ進行路１９へと連続している。従って、もしも第１プラズマ進行路５に進入してくるドロップレットがあれば、この屈曲部で反射される。そして、その運動エネルギーが消失すると第２プラズマ進行路１９までドロップレットが到達することがなく、ドロップレットの第２プラズマ進行路１９内への進入を防ぐことができる。

図１１は第６実施形態のプラズマ生成装置の内部構造を示す断面構成図である。尚、上記した第１実施例と同一部材、同一箇所には同一符号を付して、その説明を省略する。

図１１に示すように、この第６実施形態のプラズマ生成装置には、斜行壁８が設けられていない。即ち、プラズマとドロップレットが混合状態で進行する主進行路２が設けられ、この主進行路２を、ドロップレットが進行するドロップレット進行路４とプラズマが進行する第１プラズマ進行路５とに下向きに略Ｔ字形に分岐している。更に、主進行路２の途中部にプラズマとドロップレットの進行を制限するための制限板７Ａ、７Ｂが内方に向けて前後に２箇所設けられている。この制限板７Ａ、７Ｂはプラズマやドロプレットの進行量を方位的に制限する部材で、更に段数を増加することによって、特にドロプレット量を低減できる。制限板を１ヶ所以上、特に設けることによって、斜行壁を無くしてもドロップレットをほぼ完全にドロプレット捕集部に捕集することが可能になる。

ドロップレット進行路４の先端部にドロップレット捕集部３が設けられ、第１プラズマ進行路５の先端部に補助ドロップレット捕集部２０が設けられている。この補助ドロップレット捕集部２０の手前側で第１プラズマ進行路５から屈曲した方向に第２プラズマ進行路１９が延設して設けられている。前記緩衝板１７が三角柱形状を有し、捕集部開口面２０ａに対して２つの三角柱側面が傾斜するように前記緩衝板１７が配置されている。

この第６実施形態のプラズマ生成装置によれば、主進行路２を２箇所の制限板７Ａ、７Ｂでプラズマとドロップレットの進行を制限するから、直進するドロップレットの殆どがドロップ捕集部３に捕集される。更に、第１プラズマ進行路５に進入してくる残存ドロップレットは、補助ドロップレット捕集部２０に全てが捕集されて第２プラズマ進行路１９に進行することを防ぐことができる。

図１２は第７実施形態のプラズマ生成装置の内部構造を示す概略構成図である。尚、上記した第１実施例と同一部材、同一箇所には同一符号を付して、その説明を省略する。

図１２に示すように、この第７実施形態のプラズマ生成装置は、上記した第１実施形態のプラズマ生成装置の変形例である。この第７実施形態では、ドロップレット捕集部３Ａに、奥方に向けて縮径して閉じるテーパー筒状体のドロップレット堆積部３ｂが延設されている。

従って、この第７実施形態では、ドロップレット捕集部３Ａが奥方に向けて縮径しているので、ドロップレットがドロップレット進行路４に向けて乱反射することを低減することができる。即ち、ドロップレットをドロップレット捕集部３Ａ内に確実に捕集することができる。

図１３は第８実施形態のプラズマ生成装置の内部構造を示す概略構成図である。尚、上記した第１実施例及び第６実施形態と同一部材、同一箇所には同一符号を付して、その説明を省略する。

図１３に示すように、この第８実施形態のプラズマ生成装置は、主進行路２の先端のドロップレット捕集部３Ｂに湾曲筒状体のドロップレット堆積部３ｂが形成されている。この湾曲筒状体のドロップレット堆積部３ｂの内周面で乱反射を繰り返し、奥部へと進み、やがて運動エネルギーを失って、末端で停止する。更に、補助ドロップレット捕集部２０Ｂに奥方に向けて縮径して閉じるテーパー筒状体のドロップレット堆積部３ｂが延設されている。

このテーパー筒状体の補助ドロップレット捕集部２０Ｂが奥方に向けて縮径しているので、ドロップレットが第２プラズマ進行路１９に向けて乱反射することを低減することができる。即ち、ドロップレットを補助ドロップレット捕集部２０Ｂ内に確実に捕集することができる。

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。

この発明に係るプラズマ生成装置は、主として工業用に用いられるプラズマ加工装置に使用できる。例えば、金属製又は非金属製の被処理物表面に被膜を形成する表面処理加工に好適に用いることができる。これら被処理物の材質・形状は任意でよく、この被処理物表面に保護被膜を秀麗に形成できる。

本発明に係るプラズマ生成装置の第１実施形態の断面構成図である。 本発明に係るプラズマ生成装置の第１実施形態においてその変形例の断面構成図である。 本発明に係るプラズマセンタリング絞り部１５及びプラズマ加工部６におけるプラズマ制御機構の説明図である。 同装置におけるアーク放電部から進行するドロップレットが主進行路の側壁で１回も反射されずに進行する状態を示す説明図である。 同装置におけるアーク放電部から進行するドロップレットが主進行路の側壁で１回反射されて進行する状態を示す説明図である。 同装置におけるアーク放電部から進行するドロップレットが主進行路の側壁で２回反射されて進行する状態を示す説明図である。 第２実施形態のプラズマ生成装置の内部構造を示す断面構成図である。 第３実施形態のプラズマ生成装置の内部構造を示す断面構成図である。 第４実施形態のプラズマ生成装置の内部構造を示す断面構成図である。 第５実施形態のプラズマ生成装置の内部構造を示す断面構成図である。 第６実施形態のプラズマ生成装置の内部構造を示す断面構成図である。 第７実施形態のプラズマ生成装置の概略構成図である。 第８実施形態の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を示す模式図である。

符号の説明

Ｓ 真空チャンバー
Ｔ 被処理物
Ｄ ドロップレット
Ｐ プラズマ流
Ｐｈ 高密度プラズマ流
ｂ 磁界
１ アーク放電部
１ａ 陰極
１ｂ 陰極プロテクタ
１ｃ 陽極
１ｄ トリガ電極
１ｅ アーク安定化磁界発生器
１ｆ アーク安定化磁界発生器
１ｈ 絶縁導入端子
１ｉ アーク電源
１ｍ 制限用抵抗
２ 主進行路
２Ａ 第１主進行路
２Ｂ 第２主進行路
３ ドロップレット捕集部
３ａ 捕集部開口面
３ｂ ドロップレット堆積部
３Ａ ドロップレット捕集部
３Ｂ ドロップレット捕集部
４ ドロップレット進行路
５ 第１プラズマ進行路
６ プラズマ加工部
６ａ 加工部前方
６ｂ 加工部後方
７ 制限板
７Ａ 制限板
７Ｂ 制限板
８ 斜行壁
９ 反射板
１０ 第１プラズマ誘導磁界発生器
１１ 第２プラズマ誘導磁界発生器
１２ 第１ガイド部
１３ 第２ガイド部
１４ 第３プラズマ誘導磁界発生部
１５ プラズマセンタリング絞り部
１６ 第４プラズマ誘導磁界発生部
１７ ドロップレット緩衝板
１８ 第１補助プラズマ誘導磁界発生器
１９ 第２プラズマ進行路
１９Ａ 第２プラズマ進行路
２０ 補助ドロップレット捕集部
２０ａ 捕集部開口面
２０Ｂ 補助ドロップレット捕集部
２１ 第５プラズマ誘導磁界発生部
２２ 偏向コイル
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ 電磁石
２４ プラズマ流走査部
２６ａ 磁界発生器
２６ｂ 磁界発生器

Claims (4)

1. 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）をドロップレット捕集部に捕集するようにしたプラズマ生成装置において、前記プラズマと前記ドロップレットが混合状態で進行する主進行路を設け、この主進行路の途中部に前記プラズマと前記ドロップレットの進行を制限するための制限板が内方に向けて設けられ、この制限板を通過後に前記主進行路を、前記ドロップレットが主進行路方向に進行するドロップレット進行路と前記プラズマが磁界により屈曲されて進行する第１プラズマ進行路とに略Ｔ字形に分岐し、前記ドロップレット捕集部と前記アーク放電部が前記第１プラズマ進行路の両側に位置するように前記第１プラズマ進行路の一端に夫々が前記ドロップレット進行路と前記主進行路を介して接続され、前記分岐部分における前記ドロップレット進行路の側壁部と前記第１プラズマ進行路の側壁部の接続部に傾斜配置された斜行壁が設けられ、前記斜行壁により反射されたドロップレットが回収されるように前記ドロップレット捕集部が前記接続部に対向する側にある前記ドロップレット進行路の側壁部に配置され、前記ドロップレット進行路における前記ドロップレット捕集部の近傍に、反射板が前記斜行壁に対し折曲して連続するように配置され、前記第１プラズマ進行路にプラズマの進行路の断面径が徐々に縮径するプラズマセンタリング絞り部が付設され、前記プラズマセンタリング絞り部の出力側に偏向コイルが付設され、前記制限板を通過し、前記分岐部分に進入したドロップレットを前記斜行壁と前記反射板により前記ドロップレット捕集部に向けて反射させ、前記プラズマセンタリング絞り部によりプラズマ流の断面径を絞り込み、プラズマの進行方向をｚ軸方向、垂直な平面をｘｙ平面とした場合において、前記偏向コイルにより前記プラズマセンタリング絞り部を通過したプラズマをｘｙ平面上に走査することを特徴とするプラズマ生成装置。
2. 前記プラズマセンタリング絞り部の外側に絞り磁界発生器が設置され、この絞り磁界発生器を構成するコイルの巻数がプラズマの進行方向に従って増加する請求項１に記載のプラズマ生成装置。
3. 上記した請求項１又は２に記載のプラズマ生成装置において、プラズマ進行路の進行方向最終端部に、このプラズマ進行路を進行したプラズマを流入させるプラズマ加工部が配置され、このプラズマ加工部に配置された被処理物に対し前記プラズマにより表面処理加工が行われるようにしたことを特徴とするプラズマ生成装置。
4. 前記プラズマ加工部に被処理物を配置する場合に、プラズマの流れに沿った被処理物の前後の外周に磁界発生器が付設される請求項３に記載のプラズマ生成装置。

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