JP4568768B2

JP4568768B2 - プラズマ生成装置及びプラズマ処理装置

Info

Publication number: JP4568768B2
Application number: JP2008083750A
Authority: JP
Inventors: 祐一椎名
Original assignee: Ferrotec Corp
Current assignee: Ferrotec Corp
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2028-03-27
Also published as: JP2009235500A; CN101970710A; WO2009119655A1; CN101970710B; US20110068004A1; US8562800B2; EP2267180A4; EP2267180A1

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ターゲット表面から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、及びそのプラズマ生成装置による生成プラズマを用いてプラズマ処理を行うプラズマ処理装置に関する。

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を導入した場合には、反応性ガスも同時にイオン化される。前記反応性ガスと共に不活性ガス（希ガスという）を導入しても良いし、また前記反応性ガスに代えて前記不活性ガスを導入することもできる。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１２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Ｔ字状に屈曲され、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。具体的なドロップレット捕集手段として、例えば、特開２００２−１０５６２８号公報（特許文献２）には、プラズマダクト内壁に設けたバッフルにより、プラズマ加工部に到達しないドロップレットを付着、捕集することが開示されている。
特開２００２−８８９３号公報特開２００２−１０５６２８号公報 P.J. Martin, R.P. Netterfield and T.J. Kinder, Thin Solid Films 193/194 (1990)77

図１２に示した、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壁面を反射しながらプラズマ加工部１１２に誘導される場合があった。このように、ドロップレットがプラズマ加工部１１２に入射すると、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。

従って、本発明の目的は、プラズマ生成装置において生成されるプラズマに混入するドロップレットをより効率的に除去でき、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及びそのプラズマ生成装置による生成プラズマを用いてプラズマ処理を行うプラズマ処理装置を提供することである。

本発明者は、上記課題を解決するために、プラズマの発生時に陰極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をプラズマ進行路に配置するうえで、プラズマ進行路の形態とプラズマ処理条件（成膜レート）の関係を検証した。この検証実験では１枚の基板に対してプラズマ照射を４秒間行った成膜処理における成膜レート（ｎｍ／ｓｅｃ）を求めた。幅ｄ１が２．５ｉｎ（インチ）、長さＤ２が２．５ｉｎ（インチ）、任意厚さtのサイズの基板を使用した。図１１は、成膜レートに対するプラズマ輸送距離の関係を示す。この明細書を通じて、プラズマ輸送距離とは、プラズマ発生部（ターゲット面）から放出されるプラズマがプラズマ加工部内の被処理物（基板）に到達するまでの合計距離で定義される。

図１１のＡ１、Ａ２はそれぞれ、図１２により示したＴ字状に屈曲させたプラズマ進行路による場合、非特許文献１により示した湾曲させたプラズマ進行路を用いた場合を示し、各プラズマ輸送距離は１４４０ｍｍ、１３８０ｍｍである。Ａ１のＴ字型プラズマ進行路における成膜レートは約０．３ｎｍ／ｓｅｃであり、Ａ２のおける湾曲プラズマ進行路における成膜レートは約０．６ｎｍ／ｓｅｃである。上記の検証からプラズマ輸送距離が成膜レートに影響していることがわかる。ここで、１ｎｍ／ｓｅｃ＝１０Ａ／ｓｅｃの換算式を用いて図１１は理解される。

半導体基板等に使用される、通常の成膜条件としては約０．８ｎｍ／ｓｅｃを超える成膜レートが必要である。ドロップレットの付着量も、上記の２．５ｉｎ（インチ）×２．５ｉｎ（インチ）サイズの基板においては５０個以下が好ましいが、上記の検証の場合には約１０００個のドロップレットが付着していた。プラズマ輸送距離が成膜レートに影響していることを考慮すると、プラズマ進行路によるプラズマ輸送距離を短縮すれば成膜レートを改善できることになるが、単に直進経路を短縮化するだけでは、それに伴ってドロップレットの侵入量が増加してしまうことがわかった。

上記検証結果を鋭意検討して、本発明者は、プラズマ進行路途中に傾斜型プラズマ進行路を形成して、プラズマ進行路を３段階に屈曲形成することにより、プラズマ進行路全体を短縮しても、ドロップレットの侵入をより効率的に防いで、好適な成膜レートによるプラズマ処理を行えることの知見を得るに至った。

本発明の第１の形態は、真空雰囲気下で真空アーク放電を行ってターゲット面からプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部により発生されたプラズマを進行させるプラズマ進行路とを有し、前記プラズマ進行路にドロップレットを除去するドロップレット除去部を配置し、このドロップレット除去部は、前記プラズマ発生部に連接されたプラズマ直進管と、前記プラズマ直進管に屈曲状に連接された第1プラズマ進行管と、前記第1プラズマ進行管の終端に、その管軸に対して所定屈曲角で傾斜配置させて連接された第２プラズマ進行管と、前記第２プラズマ進行管の終端に屈曲状に連接され、プラズマ出口よりプラズマを排出する第３プラズマ進行管とから構成され、前記プラズマが前記ターゲット表面から被処理物に到達するまでの合計長さＬが、９００ｍｍ≦Ｌ≦１３５０ｍｍを満たすように設定された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、前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口から前記第1プラズマ進行管のプラズマ出口側を直線状に透視させない位置に、前記第２プラズマ進行管が幾何学的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、前記第３プラズマ進行管のプラズマ入口側の管断面上端から前記第1プラズマ進行管のプラズマ出口側の管断面下端に対する仰角をθとし、前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口側の管断面下端から前記第２プラズマ進行管のプラズマ出口側の管断面上端に対する仰角をθ_０としたとき、θ≧θ_０が満足されるプラズマ生成装置である。

本発明の第４の形態は、前記第1、第２又は第３の形態において、前記プラズマ直進管、前記第1プラズマ進行管、前記第２プラズマ進行管及び前記第３プラズマ進行管のそれぞれに、プラズマ搬送用磁場を発生するプラズマ搬送用磁場発生手段を設け、前記第1プラズマ進行管及び／又は前記第２プラズマ進行管に、前記プラズマ搬送用磁場を偏向させる偏向磁場発生手段を付設し、前記偏向磁場発生手段により発生される偏向磁場によりプラズマ流を管中心側に偏向させるプラズマ生成装置である。

本発明の第５の形態は、前記第４の形態において、前記偏向磁場発生手段は、前記第1プラズマ進行管及び／又は前記第２プラズマ進行管の外周に配置されたヨークと、そのヨークに巻回された磁場コイルとからなり、前記ヨークは、管軸方向にスライド調整、周方向に回動調整、及び／又は管軸方向に揺動調整される
プラズマ生成装置である。

本発明の第６の形態は、前記第４の形態において、前記プラズマ搬送用磁場発生手段は、前記プラズマ直進管、前記第1プラズマ進行管、前記第２プラズマ進行管及び前記第３プラズマ進行管のそれぞれの管外周に巻回された磁場コイルからな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６の形態において、前記第２プラズマ進行管の管外周に巻回された磁場コイルは、その管外周に対して傾斜軸に沿って楕円状に巻回された磁場コイルからな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〜第７のいずれかの形態において、前記プラズマ直進管、前記第1プラズマ進行管、前記第２プラズマ進行管及び前記第３プラズマ進行管のそれぞれの管内壁面にドロップレット捕集板が植設され、前記植設領域が管内壁面積の７０％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〜第８のいずれかの形態において、前記第２プラズマ進行管を拡径管とし、前記第１プラズマ進行管を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し、前記第３プラズマ進行管を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するプラズマ生成装置である。

本発明の第１０の形態は、前記第１〜第９のいずれかの形態において、前記第２プラズマ進行管と前記第３プラズマ進行管の連接部に、前記第２プラズマ進行管から前記第３プラズマ進行管に供給されるプラズマ流を進行方向に集束整流する整流磁場発生手段、及び／又は前記プラズマ流をその断面方向に偏向振動させる偏向振動磁場発生手段が設けられ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８の形態において、前記第２プラズマ進行管内に植設されたドロップレット捕集板は前記第２プラズマ進行管の管壁と電気的に遮断されており、前記ドロップレット捕集板にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段が設けられ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１〜第１１のいずれかの形態において、前記第２プラズマ進行管内に、管軸方向に沿って設置位置が変更可能な1個以上のアパーチャーを配設し、前記アパーチャーは所定面積の開口部を有するプラズマ生成装置である。

本発明の第１３の形態は、前記第１〜第１２のいずれかの形態に係るプラズマ生成装置と、被処理物を設置したプラズマ処理部とを備え、前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口を、前記プラズマ処理部のプラズマ導入口に接続したプラズマ処理装置である。

本発明の第１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は、前記プラズマ発生部に連接されたプラズマ直進管と、前記プラズマ直進管に屈曲状に連接された第1プラズマ進行管と、前記第1プラズマ進行管の終端に、その管軸に対して所定屈曲角で傾斜配置させて連接された第２プラズマ進行管と、前記第２プラズマ進行管の終端に屈曲状に連接され、プラズマ出口よりプラズマを排出する第３プラズマ進行管とから３段階に屈曲構成され、ターゲット面から被処理物までの合計長さＬが、９００ｍｍ≦Ｌ≦１３５０ｍｍを満たすように設定されたプラズマ生成装置が提供される。更に詳細には、前記合計長さＬは、ターゲット面から前記プラズマ直進管の出口までの長さＬ０、前記第1プラズマ進行管の長さＬ１、前記第２プラズマ進行管の長さＬ２、前記第３プラズマ進行管の長さＬ３、及び前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口からプラズマが被処理物に到達するまでの有効距離Ｌ４を加えた合計長さ、即ちＬ＝Ｌ０＋Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４により定義され、図１にその詳細が示されている。このように、前記合計長さＬが、９００ｍｍ≦Ｌ≦１３５０ｍｍを満たすように設定されるので、図１１に示すように、プラズマ進行路によるプラズマ輸送距離を、従来のＴ型プラズマ進行路や湾曲プラズマ進行路よりも短縮して成膜レートを向上させることができ、しかも、単に直進経路を短縮化するのではなく、前記３段階の屈曲経路化により高効率にドロップレットを除去して、成膜等の表面処理精度の向上に実現できる高純度プラズマを生成することができる。
前記第２プラズマ進行管は前記屈曲角（傾斜角）で傾斜しており、傾斜角が大きい場合はドロップレットは遮断できるが、プラズマ密度が低下するため被処理物表面への成膜速度は低下する。逆に、傾斜角が小さい場合にはドロップレットは処理室内に進入するが、プラズマ密度の低下が小さいため被処理物表面への成膜速度は低下しない。従って、成膜速度とドロップレットの許容度との関係で前記傾斜角を適宜選択することができる。

本発明における前記プラズマ直進管、前記第1プラズマ進行管、前記第２プラズマ進行管及び前記第３プラズマ進行管による前記３段階の屈曲経路は、各管を同一平面上に連結して構成されたり、あるいは空間的に３次元配置して構成される。

本発明の第２の形態によれば、前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口から前記第1プラズマ進行管のプラズマ出口側を直線状に透視させない位置に、前記第２プラズマ進行管が幾何学的に配置されているので、前記第1プラズマ進行管から導出されるドロップレットが直接的に前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口から排出されずに、前記前記３段階の屈曲経路過程において経路内壁に衝突して付着除去されてしまうので、被処理物に付着するドロップレットを大幅に低減でき、高効率にドロップレットが除去された高純度プラズマによるプラズマ処理が可能になる。
前記第３プラズマ進行管の出口は、後述するプラズマ処理部の外壁面に直接連結されても良いし、前記外壁面の内部まで没入させて配置しても良い。更には、前記第３プラズマ進行管の出口と前記外壁面の位置関係を保持しながら、後述する第１０形態のように、第２プラズマ進行管と第３プラズマ進行管の間に整流管や偏向振動管を介在させることもできる。

本発明の第３の形態によれば、前記第３プラズマ進行管のプラズマ入口側の管断面上端から前記第1プラズマ進行管のプラズマ出口側の管断面下端に対する仰角をθとし、前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口側の管断面下端から前記第２プラズマ進行管のプラズマ出口側の管断面上端に対する仰角をθ_０としたとき、θ≧θ_０が満足されるので、前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口から前記第1プラズマ進行管のプラズマ出口側を直線状に透視させない位置に、前記第２プラズマ進行管を配置することができる。従って、例えば、前記３段階の屈曲経路を同一平面上に連結して構成する場合などにおいては、前記第1プラズマ進行管から導出されるドロップレットが直接的に前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口から排出されない管路構成を実現でき、高効率にドロップレットが除去された高純度プラズマを用いたプラズマ処理を行うことができる。
前述したように、前記第３プラズマ進行管の出口は、後述するプラズマ処理部の外壁面に直接連結されても良いし、前記外壁面の内部まで没入させて配置しても良いことは云うまでもない。また、第２プラズマ進行管と第３プラズマ進行管の間に整流管や偏向振動管を介在させても良いことは云うまでもない。

本発明の第４の形態によれば、前記プラズマ直進管、前記第1プラズマ進行管、前記第２プラズマ進行管及び前記第３プラズマ進行管のそれぞれに、プラズマ搬送用磁場を発生するプラズマ搬送用磁場発生手段を設け、前記第1プラズマ進行管及び／又は前記第２プラズマ進行管に、前記プラズマ搬送用磁場を偏向させる偏向磁場発生手段を付設し、前記偏向磁場発生手段により発生される偏向磁場によりプラズマ流を管中心側に偏向させるので、前記第1プラズマ進行管及び／又は前記第２プラズマ進行管の連接部分における前記プラズマ搬送用磁場の不均一、つまり前記プラズマ搬送用磁場発生用磁場コイルの構成に起因して屈曲部の内側に付加磁場が強くなってしまう不都合を前記偏向磁場により偏向調整して、管路中心にプラズマ流を誘導して、プラズマ密度を高密度に維持して、高密度かつ高純度プラズマを用いたプラズマ処理を行うことができる。

本発明の第５の形態によれば、前記偏向磁場発生手段は、前記第1プラズマ進行管及び／又は前記第２プラズマ進行管の外周に配置されたヨークと、そのヨークに巻回された磁場コイルとからなり、前記ヨークは、管軸方向にスライド調整、周方向に回動調整、及び／又は管軸方向に揺動調整されるので、前記ヨークの可動によって前記偏向磁場による微調整を行って前記プラズマ搬送用磁場の不均一の解消を図ることができ、前記３段階の屈曲経路の幾何学的配置からなる、最適なプラズマ進行路を実現することができる。

本発明の第６の形態によれば、前記プラズマ搬送用磁場発生手段は、前記プラズマ直進管、前記第1プラズマ進行管、前記第２プラズマ進行管及び前記第３プラズマ進行管のそれぞれの管外周に巻回された磁場コイルからなるので、前記３段階の屈曲経路全体に前記プラズマ搬送用磁場を発生させて、プラズマ輸送効率を向上させ、高密度かつ高純度プラズマを用いたプラズマ処理を行うことができる。

前記プラズマ搬送用磁場発生用磁場コイルを、傾斜配置された前記第２プラズマ進行管に傾斜軸に沿って円形状に巻回して設けると、他の管との連接部付近においてコイルが巻回されない空隙を生じ、不均一磁場を生じてプラズマ輸送効率が低下してしまう。そこで、本発明の第７の形態によれば、前記第２プラズマ進行管の管外周に巻回された磁場コイルは、その管外周に対して傾斜軸に沿って楕円状に巻回された磁場コイルからなるので、かかる空隙を生ずることなく、前記第２プラズマ進行管の傾斜面に密に磁場コイルを巻回して、不均一磁場を生じずにプラズマ輸送効率を向上させ、高密度かつ高純度プラズマを用いたプラズマ処理を行うことができる。

本発明の第８の形態によれば、前記プラズマ直進管、前記第1プラズマ進行管、前記第２プラズマ進行管及び前記第３プラズマ進行管のそれぞれの管内壁面にドロップレット捕集板が植設され、前記植設領域が管内壁面積の７０％以上であるので、プラズマ進行路用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。

本発明の第９の形態によれば、前記第２プラズマ進行管を拡径管とし、前記第１プラズマ進行管を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し、前記第３プラズマ進行管を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するので、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、前記第１プラズマ進行管、前記第２プラズマ進行管及び前記第３プラズマ進行管の管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。

傾斜配置された前記第２プラズマ進行管の終端における前記第３プラズマ進行管との連接部においてはプラズマ流が蛇行したり拡散する場合があるので、前記第２プラズマ進行管の出口にプラズマ整流管を配置し、このプラズマ整流管の外周にプラズマ流を強制的に進行方向に集束整流させる整流磁場発生手段を設けても良い。プラズマ進行方向に集束磁場を印加すると、蛇行したり拡散していたプラズマ流を強制的に集束しながら前進させることができる。また、前記プラズマ整流管の出口にラッパ管状の偏向振動管を配置し、前記偏向振動管の外周に偏向振動磁場発生装置（即ち、ヨークコイル）を配置して、偏向振動管の内部にその断面方向にプラズマ流を左右（又は上下）に振る偏向振動磁場を形成することができる。左右方向（断面Ｘ軸方向）と上下方向（断面Ｙ軸方向）の両方向に偏向振動させれば、プラズマ流を広範囲に走査することが可能になる。このように、プラズマ流を偏向走査することにより、非処理物への照射面積がプラズマ流断面積より大きい場合に、プラズマ照射面積を自在に増減することが可能になる。前記プラズマ整流管と前記偏向振動管を組み合わせて配置しても良いし、単独で配置してもよいことは云うまでもない。

本発明の第１１の形態によれば、前記第２プラズマ進行管内に植設されたドロップレット捕集板は前記第２プラズマ進行管の管壁と電気的に遮断されており、前記ドロップレット捕集板にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段が設けられているので、前記ドロップレット捕集板に前記バイアス電圧が印加されるから、そのバイアス電位を調整することにより、プラズマの減衰を抑制でき、プラズマ搬送効率を増加させることが可能になる。印加電圧は＋の場合と−の場合がある。印加形態は好適に選択される。＋電位の場合には、＋イオンは反発して搬送方向に押し出され、−電位の場合には電子が反発して搬送方向に押し出される。＋−いずれの電位を印加するかは、プラズマ搬送効率を増加させるように選択される。また電位の大きさも種々に調節され、プラズマ搬送効率を増加させる電位強度が選択される。

本発明の第１２の形態によれば、前記第２プラズマ進行管内に、管軸方向に沿って可動するアパーチャーを配設し、前記アパーチャーは所定面積の開口部を有するので、前記アパーチャーにより前記第２プラズマ進行管内を縮径してドロップレットを捕集し、しかもその設置位置を変更して捕集量を最適に調整することができ、ドロップレット除去効率の向上に寄与する。なお、前記開口部は前記アパーチャーの中心に設けるだけでなく、偏心させて管内プラズマ流を蛇行させる機能を付与することも可能である。

本発明の第１３の形態によれば、前記第１〜第１２のいずれかの形態に係るプラズマ生成装置と、被処理物を設置したプラズマ処理部とを備え、前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口を、前記プラズマ処理部のプラズマ導入口に接続したので、前記前記３段階の屈曲経路からなるプラズマ進行路を備えた前記プラズマ生成装置により生成された高純度のプラズマを前記プラズマ導入口より導入して被処理物に照射し、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プラズマ処理装置の提供が可能になる。前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口は、前記プラズマ処理部の外壁面に連結しても良いし、前記外壁面の内部に没入させても良いなど、連結設計は自在に行えることは、前述した通りである。

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生成装置の概略構成図である。図に示すプラズマ生成装置は、プラズマ処理部（チャンバー）Ｃに供給するプラズマを発生させるプラズマ発生部Ａ及びプラズマ進行路から構成される。プラズマ処理部Ｃには、ワーク（プラズマ被処理物）Ｗが設置され、チャンバー内に接続されるガス導入システムにより必要に応じて反応性ガスがガス流入口２４ａから導入され、ガス排気システムにより反応ガスやプラズマ流が排気口２５から排気される。プラズマ発生部Ａは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る陰極（ターゲット）を有する。プラズマ進行路は、プラズマを流通させる管路からなり、プラズマ進行路には、陰極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を配置している。このドロップレット除去部は、プラズマ流通管路でもあり、プラズマ発生部Ａに連接されたプラズマ直進管Ｐ０と、プラズマ直進管Ｐ０に屈曲状に連接された第1プラズマ進行管Ｐ１と、第1プラズマ進行管Ｐ１の終端に、その管軸に対して所定屈曲角で傾斜配置させて連接された第２プラズマ進行管Ｐ２と、第２プラズマ進行管Ｐ２の終端に屈曲状に連接され、プラズマ出口よりプラズマを排出する第３プラズマ進行管Ｐ３とから構成されている。
前記第３プラズマ進行管Ｐ３の出口Ｓ３は、前記プラズマ処理部Ｃの外壁面の内部に没入させて延設されているが、後述する図２に示されるように、前記出口Ｓ３を前記外壁面にフランジ（図示せず）を介して直結しても良いなど、接続形式は自在に調整できる。

プラズマ直進管Ｐ０はプラズマ発生部Ａから直進するドロップレットを、プラズマ発生部Ａに対向する終端部Ｅあるいは管内壁に衝突させて付着、除去する。プラズマ発生部Ａの前記ターゲット位置Ｃ２からプラズマ直進管Ｐ０の出口、即ち、プラズマ直進管Ｐ０と第1プラズマ進行管Ｐ1との連接点までのプラズマ進行長さをＬ０とする。第1プラズマ進行管Ｐ１はプラズマ直進管Ｐ０の終端側側壁にて直交する向きに連通して連接されている。第1プラズマ進行管Ｐ１のプラズマ進行長さをＬ１とする。第２プラズマ進行管Ｐ２は第1プラズマ進行管Ｐ１及び第３プラズマ進行管Ｐ３の間に傾斜配置されており、そのプラズマ進行長さをＬ２とする。第３プラズマ進行管Ｐ３は第1プラズマ進行管Ｐ１と平行する向きに配置され、そのプラズマ進行長さをＬ３とする。第３プラズマ進行管Ｐ３のプラズマ出口はプラズマ処理部Ｃ内部まで延設されている。第３プラズマ進行管Ｐ３のプラズマ出口より排出されるプラズマがプラズマ処理部Ｃ内の被処理物の設置位置Ｃ１まで到達するプラズマ有効距離をＬ４とする。プラズマ直進管Ｐ０、第1プラズマ進行管Ｐ１、第２プラズマ進行管Ｐ２及び第３プラズマ進行管Ｐ３により３段階に屈曲形成されたプラズマ進行路を形成している。

各プラズマ進行管の外周には、プラズマ流Ｐを管路に沿って搬送するためのプラズマ搬送用磁場を発生させる磁場コイル（図示せず）が巻回されている。磁場コイルからなるプラズマ搬送用磁場発生手段により、前記３段階の屈曲経路全体にプラズマ搬送用磁場を発生させて、プラズマ輸送効率を向上させている。また、管内壁にはドロップレット除去用バッフル（図示せず）が設置されている。

上記構成に係るプラズマ進行路において、ターゲット面からプラズマ直進管Ｐ０の出口面の間、第1プラズマ進行管Ｐ１、第２プラズマ進行管Ｐ２及び第３プラズマ進行管Ｐ３のそれぞれのプラズマ進行長さＬ０〜Ｌ３にプラズマ有効距離Ｌ４を加えた合計長さ（プラズマ輸送距離）Ｌ（＝Ｌ０＋Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４）は、９００ｍｍ≦Ｌ≦１３５０ｍｍを満たすように設定されている。本実施形態では、図１１のＡ３に示すように、Ｌを１１９０ｍｍにしている。このプラズマ輸送距離の設定下において、Ａ１及びＡ２の上記検証実験と同様に、１枚の基板に対してプラズマ照射を行い、３ｎｍの厚みの成膜を実施したとき、約１．５ｎｍ／ｓｅｃの成膜レートが得られた。

本実施形態によれば、上記プラズマ進行路によるプラズマ輸送距離を、従来のＴ字プラズマ進行路や湾曲プラズマ進行路よりも短縮して成膜レートを向上させることができ、しかも、単に直進経路を短縮化するのではなく、前記３段階の屈曲経路化により高効率にドロップレットを除去して、成膜等の表面処理精度の向上に実現できる高純度プラズマを生成することができる。即ち、Ｔ字状に屈曲させたプラズマ進行路による場合（Ａ１）、湾曲させたプラズマ進行路を用いた場合（Ａ２）と比較して、プラズマ輸送距離が短縮され、しかも、半導体基板等に使用される、良好な成膜条件として高い成膜レート（約１．５ｎｍ／ｓｅｃ）を得ることができる。

本実施形態では、プラズマ進行路が前記３段階の屈曲経路で構成され、更に図１に示す管路配置により、極めて良好なドロップレット除去効果を奏する。このドロップレット除去効果により、幅ｄ１が２．５ｉｎ（インチ）、長さＤ２が２．５ｉｎ（インチ）、任意厚さtのサイズの基板（ワークＷ）に対してプラズマを４秒間照射したときのドロップレットの付着量は、１０個〜１００個未満となった。

第３プラズマ進行管Ｐ３のプラズマ出口Ｓ３から第1プラズマ進行管Ｐ１のプラズマ出口Ｓ１側を直線状に透視させない位置に、第２プラズマ進行管Ｐ２が幾何学的に配置されている。即ち、第３プラズマ進行管Ｐ３のプラズマ入口Ｓ２側の管断面上端から第1プラズマ進行管Ｐ１のプラズマ出口Ｓ１側の管断面下端に対する仰角をθとし、第３プラズマ進行管Ｐ３のプラズマ出口Ｓ３側の管断面下端から第２プラズマ進行管Ｐ２のプラズマ出口Ｓ２側の管断面上端に対する仰角をθ_０としたとき、θ≧θ_０が満足される。

上記の幾何学的管路配置により、第1プラズマ進行管Ｐ１から導出される直進ドロップレットが直接的に第３プラズマ進行管Ｐ３に侵入するのを回避して、第３プラズマ進行管Ｐ３のプラズマ出口Ｓ３から排出されないようにすることができる。従って、前記前記３段階の屈曲経路過程において経路内壁にドロップレットを衝突させて付着除去することが可能となり、被処理物に対するドロップレットの付着量を上記のように大幅に低減することができ、高効率にドロップレットが除去された高純度プラズマによるプラズマ処理を行うことができる。

本実施形態においては、前記３段階の屈曲経路を同一平面上に連結して構成しているが、空間的に３段階に屈曲した管路構成とした場合にも、上記同様の幾何学的配置により、直進プラズマが直接的に第３プラズマ進行管のプラズマ出口から排出されない管路構成を実現することができる。

第２プラズマ進行管Ｐ２は破線で示すように、第１プラズマ進行管Ｐ１及び第３プラズマ進行管Ｐ３より内径の大きい拡径管Ｐ４としてもよい。即ち、第２プラズマ進行管Ｐ２を拡径管Ｐ４とし、第１プラズマ進行管Ｐ１を拡径管Ｐ４のプラズマ導入側始端に連接された導入側縮径管とし、第３プラズマ進行管Ｐ３を拡径管Ｐ４のプラズマ排出側終端に連接された排出側縮径管とする。拡径管Ｐ４を中間に配置すれば、導入側縮径管より拡径管内に導入されたプラズマ流が拡径管Ｐ４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拡径管Ｐ４内に拡散して、拡径管Ｐ４の内側壁に衝突して付着、回収される。また、拡径管Ｐ４内のプラズマ流が排出されるときには、拡径管Ｐ４から排出側縮径管への縮径作用により、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、拡径管Ｐ４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、第１プラズマ進行管Ｐ１、第２プラズマ進行管Ｐ２及び第３プラズマ進行管Ｐ３の管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Ｐ４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、プラズマ進行路に拡径管Ｐ４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することができる。

次に、本発明におけるプラズマ生成装置を用いたプラズマ処理装置に好適な磁場コイルの設置例及びドロップレット除去用バッフル（捕集板）の設置例を説明する。
図２はプラズマ搬送用磁場を発生させる磁場コイルを管外周に設置し、またドロップレット除去用バッフルを管内壁に配置したプラズマ処理装置の実施形態を示す。この実施形態では、第３プラズマ進行管の出口をプラズマ処理部１の外壁面に直結した接続形式を採用している。

図２のプラズマ処理装置は、プラズマ処理部（チャンバー）１と、プラズマ処理部１に供給するプラズマを発生させるプラズマ発生部２及びプラズマ進行路からなるプラズマ生成装置とから構成される。プラズマ進行路は、図１の場合と同様に、ドロップレットを除去するドロップレット除去部を配置したプラズマ流通管路からなる。ドロップレット除去部は、プラズマ発生部２に連接されたプラズマ直進管３と、プラズマ直進管３に屈曲状に連接された第1プラズマ進行管４と、第1プラズマ進行管４の終端に、その管軸に対して所定屈曲角で傾斜配置させて連接された第２プラズマ進行管５と、第２プラズマ進行管５の終端に屈曲状に連接され、プラズマ出口７よりプラズマを排出する第３プラズマ進行管６とから構成されている。

プラズマ直進管３、第1プラズマ進行管４、第２プラズマ進行管５及び第３プラズマ進行管６からなるプラズマ進行路は、図１のプラズマ進行路と同様に、３段階に屈曲形成されている。第３プラズマ進行管６のプラズマ出口７はプラズマ処理部１のプラズマ導入口に接続されている。
また、第３プラズマ進行管６のプラズマ出口７から第1プラズマ進行管４のプラズマ出口側を直線状に透視させない位置に、第２プラズマ進行管５が図１と同様に幾何学的に配置されている。即ち、矢印９で示すように、第３プラズマ進行管６のプラズマ入口側の管断面上端から第1プラズマ進行管４のプラズマ出口側の管断面下端に対する仰角（θ）は、矢印８で示すように、第３プラズマ進行管６のプラズマ出口７側の管断面下端から第２プラズマ進行管５のプラズマ出口側の管断面上端に対する仰角（θ_０）としたとき、θ≧θ_０が満足されている。図１と同様の幾何学的管路配置により、第1プラズマ進行管４から導出される直進ドロップレットが直接的に第３プラズマ進行管６に侵入するのを回避して、第３プラズマ進行管６のプラズマ出口７から排出されないようにすることができる。

プラズマ発生部２は、陰極（カソード）１０、トリガ電極１１、陽極（アノード）１２、アーク電源１３、陰極プロテクタ１４、プラズマ安定化磁界発生器（電磁コイル若しくは磁石）１５を備えている。陰極１０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。陰極プロテクタ１４は、蒸発する陰極表面以外を電気絶縁し、陰極１０と陽極１２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。陽極１２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。また陽極１２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。更に、プラズマ安定化磁界発生器１５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１５が配置された場合、プラズマはより安定化する。また、プラズマに対する印加磁場が互いに同方向（ミラー形）となるようにアーク安定化磁界発生器１５が配置された場合、プラズマによる成膜速度をより向上させることができる。更に、プラズマ発生部２と各プラズマ管路とはプラズマ発生部側絶縁プレート１６で電気的に絶縁され、プラズマ発生部２に高電圧が印加されても、プラズマ直進管３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、第３プラズマ進行管６とプラズマ処理部１の間にも加工部側絶縁プレート（図示せず）が介装されており、プラズマ直進管３から第３プラズマ進行管６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、搬送されるプラズマに外部電源（高電圧やＧＮＤ）の影響がない様に構成されている。

プラズマ発生部２では、陰極１０とトリガ電極１１の間に電気スパークを生起し、陰極１０と陽極１２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、陰極１０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が放出される。このドロップレットは、プラズマ流２６との混合状態を形成し、ドロップレット混合プラズマとしてプラズマ進行路内を移動する。

プラズマ直進管３、第1プラズマ進行管４、第２プラズマ進行管５及び第３プラズマ進行管６からなるプラズマ進行路には、各管外周に巻回された磁場コイル１７、１８、１９、２０からなるプラズマ搬送用磁場発生手段が設けられている。前記３段階の屈曲経路全体にプラズマ搬送用磁場を発生させることにより、プラズマ輸送効率を向上させることができる。

プラズマ進行路は３段階に屈曲形成されているので、第1プラズマ進行管４及び第２プラズマ進行管５の管連接部には屈曲磁場を発生させる磁場コイル２１、２３が付設されており、屈曲磁場によりプラズマ流を屈曲誘導している。第1プラズマ進行管４及び第２プラズマ進行管５の連接部分においては、屈曲磁場用コイルが均等に巻回できないため、屈曲部の内側に屈曲磁場が強くなってしまう磁場の不均一を生ずる。この不均一磁場を解消するために、第1プラズマ進行管４及び第２プラズマ進行管５には、偏向磁場発生手段２２、２４が付設されている。

偏向磁場発生手段２２、２４は偏向磁場発生コイル３０と可動ヨーク２９からなる。図３は可動ヨーク２９を第２プラズマ進行管５外周に配置した状態を示す。可動ヨーク２９は偏向磁場発生コイル３０が巻回され、一対の磁極２７、２８を有する。磁極２７、２８間には偏向磁場が発生され、第２プラズマ進行管５内のプラズマに付与される。

偏向磁場発生手段２２、２４は、可動ヨーク２９を、管軸方向にスライド調整、周方向に回動調整及び管軸方向に揺動調整する調整機構を含む。
図４は第１プラズマ進行管４外周に配置した可動ヨーク２９の回動調整機構を示す。回動調整機構は可動ヨーク２９を周方向に回動調整する円弧状ガイド溝３２が４箇所設けられたガイド体３１からなる。ガイド溝３２には可動ヨーク２９に設けたピン３３が挿入され、ピン３３を管円周方向にスライドさせることにより９０度以下の角度調整範囲θ１内で可動ヨーク２９を回動調整することができる。調整後はピン３３を締結ナット３４でガイド体３１に締め付けることにより、その調整角度を保持することができる。

図５は第２プラズマ進行管５外周に配置した可動ヨーク２９を管軸方向にスライド調整及び管軸方向に揺動調整する調整機構を示す。ガイド体３１は可動ヨーク２９をスペーサ３６を介して固定保持した状態でスライド部材３５に支持されている。スライド部材３５は第２プラズマ進行管５の管軸方向に沿った直線状スライド溝３８を有し、調整部本体３７に固定されている。スライド溝３８は第２プラズマ進行管５の傾斜中心線に平行に形成されている。第１プラズマ進行管４に設置されるスライド溝は第１プラズマ進行管４の中心線に沿って水平に形成されている。ガイド溝３８にはガイド体３１に設けたピン３９が挿入され、ピン３９を管軸方向にスライドさせることにより、第２プラズマ進行管のほぼ管長にわたってガイド体３１の可動ヨーク２９をスライド調整することができる。調整後はピン３９を締結ナット４０でスライド部材３５に締め付けることにより、その調整位置を保持することができる。また、ガイド体３１は可動ヨーク２９を固定保持した状態でピン３９の軸回りに回転自在にスライド部材３５に支持されている。ピン３９の軸回りに回転させることにより、可動ヨーク２９を管軸方向に揺動調整（チルト角調整）することができる。調整後はピン３９を締結ナット４０でスライド部材３５に締め付けることにより、その調整チルト角を保持することができる。調整可能なチルト角は第１プラズマ進行管４側に５°、その反対側に３０°である。

偏向磁場発生手段２２、２４は、可動ヨーク２９を、管軸方向にスライド調整、周方向に回動調整、及び管軸方向に揺動調整可能にするので、可動ヨーク２９の位置ないし角度の調整によって前記偏向磁場による微調整を行ってプラズマ搬送用磁場の不均一の解消を図ることができ、前記３段階の屈曲経路の幾何学的配置からなる、最適なプラズマ進行路を実現することができる。

図６の（６Ａ）はプラズマ搬送用磁場発生用磁場コイルを、傾斜配置された第２プラズマ進行管５に傾斜軸に沿って円形状Ｍ１に巻回した状態１９Ａを模式的に示す。この場合には、図中の斜線で示すように、他の管（４又は６）との連接部付近においてコイルが巻回されない空隙を生じ、不均一磁場を生じてプラズマ輸送効率が低下してしまう。
本実施形態においては、第２プラズマ進行管５の管外周に巻回された磁場コイル１９は、その管外周に対して傾斜軸に沿って楕円状に巻回された磁場コイルからなる。図６の（６Ｂ）はプラズマ搬送用磁場発生用磁場コイル１９を、傾斜配置された第２プラズマ進行管５に傾斜軸に沿って楕円形状Ｍ２に巻回した状態１９Ｂを模式的に示す。楕円形状Ｍ２に巻回した磁場コイル１９を第２プラズマ進行管５に設置することにより、（６Ａ）の斜線領域のような空隙が生じないので、第２プラズマ進行管５の傾斜面に密に磁場コイルを巻回して、不均一磁場を発生させずにプラズマ輸送効率を向上させ、高密度かつ高純度プラズマを用いたプラズマ処理を可能にすることができる。

プラズマ直進管３、第1プラズマ進行管４、第２プラズマ進行管５及び第３プラズマ進行管６からなるプラズマ進行路には、それぞれの管内壁面にドロップレット捕集板（バッフル）４１、４２、４３、４４が植設されている。各捕集板の構造を以下に詳述する。

図７はドロップレット捕集板６０を有する内周管６１の部分拡大断面図である。内周管６１は各プラズマ管路（３〜６）に収設され、その内壁には、複数枚のドロップレット捕集板６０が植設されている。ドロップレット捕集板６０の中央にはプラズマ流通用開口部６２が形成されている。プラズマは図の上方から流入し、開口部６２を通過する。ドロップレット捕集板６０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＝６０°に設定されている。この傾斜角では、プラズマ流から分離されたドロップレットはドロップレット捕集板６０を多重反射しながら確実に付着回収できる。

複数枚のドロップレット捕集板６０により内周管６１内でのドロップレット付着表面積を多くしており、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は、内周管６１の管長による制限によってドロップレット捕集板６０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は、ドロップレット捕集板６０の表面に粗面加工を施して、無数の凹凸を有した粗面を形成するのが好ましい。即ち、ドロップレット捕集板６０の表面を粗面化することにより、ドロップレット捕集板６０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６０の狭い表面に微細凹凸加工を施すことができる。

ドロップレット捕集板６０の植設領域は、好ましくは管内壁面積の７０％以上である。図２の場合には、植設領域を管内壁面積の約９０％にしており、プラズマ進行路用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。

ドロップレット捕集板６０は各プラズマ進行管の管壁と電気的に遮断されている。内周管６１にはバイアス電圧印加手段としてのバイアス電源６３が接続され、内周管６１を＋電位に設定したり、−電位に設定することができる。内周管６１のバイアス電位が＋電位の場合には、プラズマ中の＋イオンを搬送方向に押し出す効果があり、−電位の場合にはプラズマ中の電子を搬送方向に押し出す効果がある。＋−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６１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。各ドロップレット捕集板に上記バイアス電圧を印加することにより、そのバイアス電位を調整して、プラズマの減衰を抑制でき、プラズマ搬送効率を増加させることができる。

第２プラズマ進行管５内には、管軸方向に沿って可動するアパーチャー７０を１個以上配設してもよい。前記アパーチャー７０は、第２プラズマ進行管５内の
管軸方向に沿って設置位置が変更可能な構造を有しており、前後に移動できる構造でも良いし、一方向にのみ移動できる構造でも良い。移動可能であるから、アパーチャーの設置位置を調整でき、取り出して洗浄することも可能である。このアパーチャー７０は中央に所定面積の開口部を有しており、この開口部の周囲壁面でドロップレットを衝突捕獲し、前記開口部を通過したプラズマが進行してゆく。前記開口部は中心に設けても良いし、偏心位置に設けても良いなど、種々に設計できる。従って、第２プラズマ進行管５内に複数のアパーチャー７０を移動可能に設置すれば、ドロップレットの除去効率が増加し、プラズマ純度を向上することができる。以下では、板ばねを利用した一方向移動のアパーチャーが示される。

図８の（８Ａ）は可動アパーチャー７０の平面図であり、同図（８Ｂ）はアパーチャー７０の取り付け状態を示す。アパーチャー７０は中央に所定面積の開口部７１を有するリング形状を有する。このとき、前記開口部の形状は配置形態により円形、楕円形など種々に設計できる。アパーチャー７０面の３箇所に、外側に突出した弾性片（例えば、板ばね）からなるストッパ７２がビス７３により固着されているが、溶接など固定方式は任意に採用できる。弾性片の突出部分７４は下方に向けて屈曲されている。図８の（８Ｂ）に示すように、第２プラズマ進行管５の管７５内壁には、あらかじめアパーチャー７０保持用の係止凹部７６を円状に刻設しておく。係止凹部７６は管７５の長手方向に沿って、複数個設けられている。弾性片の突出部分７４を下方に向けた状態でアパーチャー７０を矢印７７の向きに管７５内に挿入すると、ストッパ７２が押し曲げながら管内周面に沿って移動する。プラズマ流の方向は矢印７７の逆方向である。更に、アパーチャー７０を矢印７７の向きに押し込むと、係止凹部７６にてストッパ７２の突出部分７４が弾性付勢力により広がって係止凹部７６に嵌入し、係止する。この係止状態ではストッパ７２を逆戻りさせることはできず、その係止位置でアパーチャー７０をセットすることができる。セット位置を変更する場合、アパーチャー７０を矢印７７の向きに更に押し込むと、ストッパ７２の係止が解除され、次の係止凹部７６に突出部分７４が再び嵌入して係止させることができる。

アパーチャー７０は第２プラズマ進行管５内の任意のセット位置まで可動する構造であるので、アパーチャー７０により第２プラズマ進行管５内を縮径してドロップレットを捕集し、しかもそのセット位置を適宜変更して捕集量を最適に調整することができ、ドロップレット除去効率の向上に寄与する。アパーチャー７０のセット数は１又は２以上である。なお、開口部７１はアパーチャー７０の中心に設けるだけでなく、偏心させて管内プラズマ流を蛇行させる機能を付与することも可能である。

プラズマ直進管３、第1プラズマ進行管４、第２プラズマ進行管５及び第３プラズマ進行管６からなるプラズマ進行路における連接部には、リング形状のアパーチャーを配設してもよい。アパーチャー７０と同様に、かかる連接部用アパーチャーの配設により、プラズマ進行路の管径を縮小あるいは偏心、もしくは縮小・偏心させて、プラズマ流に含まれるドロップレットをより多く捕集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。

図１及び図２のプラズマ生成装置においては、最終段の第３プラズマ進行管６を一様な管径で構成しているが、屈曲経路を経て第２プラズマ進行管５より排出されるプラズマ流を第３プラズマ進行管６において、更に高密度化するのが好ましい。第３プラズマ進行管６において更に高密度化機能を付与した実施形態を以下に示す。

図９は第３の実施形態であるプラズマ処理装置の概略構成を示す。図９のプラズマ処理装置は、図２と同様に、プラズマ処理部１に供給するプラズマを発生させるプラズマ発生部（図示せず）及びプラズマ進行路からなるプラズマ生成装置を有する。プラズマ進行路に設けたドロップレット除去部は、図２と同様に、プラズマ発生部に連接されたプラズマ直進管１１００と、プラズマ直進管１１００に屈曲状に連接口１１０４にて連接された第1プラズマ進行管１１０１と、第１プラズマ進行管１１０１の終端に、その管軸に対して所定屈曲角で傾斜配置させて連接された第２プラズマ進行管１１０２と、第２プラズマ進行管１１０２の終端に屈曲状に連接され、プラズマ出口１１０６よりプラズマを排出する第３プラズマ進行管１１０３とから構成されている。なお、図示しないが、プラズマ進行路にはドロップレット捕集板及びプラズマ搬送磁場形成用磁場コイルが配設されている。

プラズマ直進管１１００、第1プラズマ進行管１１０１、第２プラズマ進行管１１０２及び第３プラズマ進行管１１０３からなるプラズマ進行路は、図１及び図２のプラズマ進行路と同様に、３段階に屈曲形成されている。第３プラズマ進行管１１０３は、第２プラズマ進行管１１０２の終端に連接された整流管１１０７、整流管１１０７に連接された偏向振動管となる円錐台形管１１０８及び出口管１１０９からなる。円錐台形管（偏向振動管）１１０８は出口管１１０９側に向けて拡径されている。出口管１１０９のプラズマ出口１１１０はプラズマ処理部１のプラズマ導入口に接続されている。出口管１１０９は一様な管径を有する。本実施形態に係るプラズマ進行路において、第1プラズマ進行管１１０１、第２プラズマ進行管１１０２及び第３プラズマ進行管１１０３のそれぞれのプラズマ進行長さＬ１〜Ｌ３は、図１の各プラズマ進行管と同様に設定されている。また、出口管１１０９のプラズマ出口１１１０から第1プラズマ進行管１１０１のプラズマ出口１１０５側を直線状に透視させない位置に、第２プラズマ進行管１１０２が図１及び図２と同様に幾何学的に配置されている。即ち、矢印１１１１で示すように、整流管１１０７のプラズマ入口側の管断面上端から第1プラズマ進行管１１０１のプラズマ出口１１０５側の管断面下端に対する仰角（θ）は、矢印１１１２で示すように、出口管１１０９のプラズマ出口１１１０側の管断面下端から第２プラズマ進行管１１０２のプラズマ出口１１０６側の管断面上端に対する仰角（θ_０）としたとき、図１と同様に、θ≧θ_０が満足されている。図１及び図２と同様の幾何学的管路配置により、第1プラズマ進行管１１０１から導出される直進ドロップレットが直接的に第３プラズマ進行管１１０３に侵入するのを回避して、第３プラズマ進行管１１０３のプラズマ出口１１１０から排出されないようにすることができる。

傾斜配置された第２プラズマ進行管１１０２の終端における第３プラズマ進行管１１０３との連接部においてはプラズマ流が蛇行・拡散して、第３プラズマ進行管１１０３側へのプラズマ進行効率が低下するのを防止するために、第２プラズマ進行管と連接する整流管１１０７に整流磁場コイル１１１４を設けられ、第２プラズマ進行管１１０２から整流管１１０７に供給されるプラズマの流れを強制的に集束させながら整流する整流磁場を管内に発生させている。この整流磁場により第２プラズマ進行管１１０２に流れるプラズマを第３プラズマ進行管１１０３側に集束状に引き出すことができ、高密度かつ高純度のプラズマを生成することが可能となる。

図１０は、第３実施形態に係る円錐台形管（偏向振動管）１１０８（図９に図示）に形成される走査用磁場の説明図である。図９及び図１０に示されるように、整流磁場作用により集束整流されたプラズマ流を左右・上下に振動させてＣＲＴディスプレイの様にプラズマ流を走査するために、整流管１１０７に連接された円錐台形管（偏向振動管）１１０８には走査用磁場コイル１１１３が付設されている。走査用磁場コイル１１１３は一組のＸ方向振動磁場発生器１０８ａ、１０８ａと、一組のＹ方向振動磁場発生器１０８ｂ、１０８ｂとからなる。

Ｘ方向振動磁場発生器１０８ａ、１０８ａによる時刻ｔのＸ方向振動磁場Ｂ_Ｘ（ｔ）、Ｙ方向振動磁場発生器１０８ｂ、１０８ｂによる時刻ｔのＹ方向振動磁場Ｂ_Ｙ（ｔ）及び時刻ｔの走査磁場Ｂ_Ｒ（ｔ）の関係が示されている。走査磁場Ｂ_Ｒ（ｔ）はＸ方向振動磁場Ｂ_Ｘ（ｔ）とＹ方向振動磁場Ｂ_Ｙ（ｔ）の合成磁場である。詳細に説明すると、Ｘ方向振動磁場によりプラズマ流を左右に振りながら、Ｙ方向振動磁場によりプラズマ流を上下に走査し、これを反復してプラズマ処理部１に大面積プラズマ照射を可能にする。プラズマ流の断面積がプラズマ処理室１内に配置された被処理物の断面積より小さい場合、プラズマ流を上下左右に走査して被処理物の全表面にプラズマ照射を可能にする。例えば、ＣＲＴディスプレイの電子ビームが左右に振動しながら上下に移動し、この動作を反復してディスプレイ画面の全面が発光するのと同様の原理を利用する。図１０には、時刻ｔ＝ｔ_１における振動磁場Ｂ_Ｘ（ｔ_１）及びＢ_Ｙ（ｔ_１）から走査用磁場Ｂ_Ｒ（ｔ_１）が合成され、この走査用磁場Ｂ_Ｒ（ｔ_１）が左右に振動しながら、時刻ｔ＝ｔ_２には振動磁場Ｂ_Ｘ（ｔ_２）及びＢ_Ｙ（ｔ_２）から走査用磁場Ｂ_Ｒ（ｔ_２）が形成され、管内のほぼ全面にプラズマ流が偏向振動できる。

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。

本発明に係るプラズマ生成装置はプラズマ進行路に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プラズマ処理装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るプラズマ生成装置の概略構成図である。本発明の第２実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成図である。第２実施形態に係る可動ヨーク２９の配置状態を示す図である。可動ヨーク２９の回動調整機構を示す構成図である。可動ヨーク２９のスライド調整及び揺動調整機構を示す構成図である。第２実施形態に係るプラズマ搬送用磁場発生用磁場コイルの模式的構成図である。第２実施形態に係る内周管６１の部分拡大断面図である。第２実施形態に係る可動アパーチャー７０の平面図とアパーチャー７０の取り付け状態図である。第３の実施形態であるプラズマ処理装置の概略構成図である。第３実施形態に係る円錐台形管（偏向振動管）１１０８に形成される走査用磁場の説明図である。成膜レートに対するプラズマ輸送距離の関係を示す図である。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プラズマ処理部
２プラズマ発生部
３プラズマ直進管
４第1プラズマ進行管
５第２プラズマ進行管
６第３プラズマ進行管
７プラズマ出口
８矢印
９矢印
１０陰極
１１トリガ電極
１２陽極
１３アーク電源
１４陰極プロテクタ
１５プラズマ安定化磁界発生器
１６絶縁プレート
１７磁場コイル
１８磁場コイル
１９磁場コイル
２０磁場コイル
２１磁場コイル
２２偏向磁場発生手段
２３磁場コイル
２４偏向磁場発生手段
２４ａガス流入口
２５排気口
２７磁極
２８磁極
２９可動ヨーク
３０偏向磁場発生コイル
３１ガイド体
３２ガイド溝
３３ピン
３４締結ナット
３５スライド部材
３６スペーサ
３７調整部本体
３８スライド溝
３９ピン
４０締結ナット
４１ドロップレット捕集板（バッフル）
４２ドロップレット捕集板（バッフル）
４３ドロップレット捕集板（バッフル）
４４ドロップレット捕集板（バッフル）
６０ドロップレット捕集板（バッフルの一部）
６１内周管
６２開口部
６３バイアス電源
７０アパーチャー
７１開口部
７２ストッパ
７３ビス
７４突出部分
７５管
７６係止凹部
７７矢印
１０８ａＸ方向振動磁場発生器
１０８ｂＹ方向振動磁場発生器
１１０９出口管
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１
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
１１００プラズマ直進管
１１０１第1プラズマ進行管
１１０２第２プラズマ進行管
１１０３第３プラズマ進行管
１１０４連接口
１１０５プラズマ出口
１１０６プラズマ出口
１１０７整流管
１１０８円錐台形管
１１１０プラズマ出口
１１１１矢印
１１１２矢印
１１１３走査用磁場コイル
１１１４整流磁場コイル
Ａプラズマ発生部
Ｃプラズマ処理部
Ｃ１設置位置
Ｃ２ターゲット位置
Ｐ０プラズマ直進管
Ｐ１第1プラズマ進行管
Ｐ２第２プラズマ進行管
Ｐ３第３プラズマ進行管
Ｐ４拡径管
Ｓ１プラズマ出口
Ｓ２プラズマ入口
Ｓ３プラズマ出口
Ｗワーク

Claims

真空雰囲気下で真空アーク放電を行ってターゲット表面からプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部により発生されたプラズマを進行させるプラズマ進行路とを有し、前記プラズマ進行路に、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配置し、このドロップレット除去部は、前記プラズマ発生部に連接されたプラズマ直進管と、前記プラズマ直進管に屈曲状に連接された第1プラズマ進行管と、前記第1プラズマ進行管の終端に、その管軸に対して所定屈曲角で傾斜配置させて連接された第２プラズマ進行管と、前記第２プラズマ進行管の終端に屈曲状に連接され、プラズマ出口よりプラズマを排出する第３プラズマ進行管とから構成され、前記プラズマが前記ターゲット表面から被処理物に到達するまでの合計長さＬが、９００ｍｍ≦Ｌ≦１３５０ｍｍを満たすように設定され、前記第２プラズマ進行管と前記第３プラズマ進行管の連接部から前記第３プラズマ進行管の中に、前記第２プラズマ進行管から前記第３プラズマ進行管に供給されるプラズマ流を進行方向に集束整流する整流磁場発生手段、及び／又は前記プラズマ流をその断面方向に偏向振動させる偏向振動磁場発生手段が設けられたことを特徴とするプラズマ生成装置。
前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口から前記第1プラズマ進行管のプラズマ出口側を直線状に透視させない位置に、前記第２プラズマ進行管が幾何学的に配置された請求項１に記載のプラズマ生成装置。
前記第３プラズマ進行管のプラズマ入口側の管断面上端から前記第1プラズマ進行管のプラズマ出口側の管断面下端に対する仰角をθとし、前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口側の管断面下端から前記第２プラズマ進行管のプラズマ出口側の管断面上端に対する仰角をθ_０としたとき、θ≧θ_０が満足される請求項２に記載のプラズマ生成装置。
前記プラズマ直進管、前記第1プラズマ進行管、前記第２プラズマ進行管及び前記第３プラズマ進行管のそれぞれに、プラズマ搬送用磁場を発生するプラズマ搬送用磁場発生手段を設け、前記第1プラズマ進行管及び／又は前記第２プラズマ進行管に、前記プラズマ搬送用磁場を偏向させる偏向磁場発生手段を付設し、前記偏向磁場発生手段により発生される偏向磁場によりプラズマ流を管中心側に偏向させる請求項１、２又は３に記載のプラズマ生成装置。
前記偏向磁場発生手段は、前記第1プラズマ進行管及び／又は前記第２プラズマ進行管の外周に配置されたヨークと、そのヨークに巻回された磁場コイルとからなり、前記ヨークは、管軸方向にスライド調整、周方向に回動調整、及び／又は管軸方向に揺動調整される請求項４に記載のプラズマ生成装置。
前記プラズマ搬送用磁場発生手段は、前記プラズマ直進管、前記第1プラズマ進行管、前記第２プラズマ進行管及び前記第３プラズマ進行管のそれぞれの管外周に巻回された磁場コイルからなる請求項４に記載のプラズマ生成装置。
前記第２プラズマ進行管の管外周に巻回された磁場コイルは、その管外周に対して傾斜軸に沿って楕円状に巻回された磁場コイルからなる請求項６に記載のプラズマ生成装置。
前記プラズマ直進管、前記第1プラズマ進行管、前記第２プラズマ進行管及び前記第３プラズマ進行管のそれぞれの管内壁面にドロップレット捕集板が植設され、前記植設領域が管内壁面積の７０％以上である請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
前記第２プラズマ進行管を拡径管とし、前記第１プラズマ進行管を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し、前記第３プラズマ進行管を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する請求項１〜８のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
前記第２プラズマ進行管内に植設されたドロップレット捕集板は前記第２プラズマ進行管の管壁と電気的に遮断されており、前記ドロップレット捕集板にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段が設けられた請求項８に記載のプラズマ生成装置。
前記第２プラズマ進行管内に、管軸方向に沿って設置位置が変更可能な1個以上のアパーチャーを配設し、前記アパーチャーは所定面積の開口部を有する請求項１〜１０のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
請求項１〜１１のいずれかに記載のプラズマ生成装置と、被処理物を設置したプラズマ処理部とを備え、前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口を、前記プラズマ処理部のプラズマ導入口に接続したことを特徴とするプラズマ処理装置。