WO2005074334A1 - プラズマ生成装置 - Google Patents

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WO2005074334A1
WO2005074334A1 PCT/JP2005/001010 JP2005001010W WO2005074334A1 WO 2005074334 A1 WO2005074334 A1 WO 2005074334A1 JP 2005001010 W JP2005001010 W JP 2005001010W WO 2005074334 A1 WO2005074334 A1 WO 2005074334A1
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WO
WIPO (PCT)
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plasma
droplet
traveling path
path
droplets
Prior art date
Application number
PCT/JP2005/001010
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hirofumi Takikawa
Yuichi Shiina
Original Assignee
Ferrotec Corporation
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ferrotec Corporation filed Critical Ferrotec Corporation
Publication of WO2005074334A1 publication Critical patent/WO2005074334A1/ja

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/48—Generating plasma using an arc
    • H05H1/50—Generating plasma using an arc and using applied magnetic fields, e.g. for focusing or rotating the arc

Definitions

  • the present invention relates to a cathode material particle (hereinafter, referred to as “droplet”) that generates plasma by performing vacuum arc discharge in an arc discharge unit set in a vacuum atmosphere to generate plasma by generating a plasma. ) Is collected in the droplet collecting section.
  • droplet a cathode material particle
  • a solid in general, it is known that the surface characteristics of a solid can be improved by forming a thin film on a surface of a solid material or implanting ions in plasma. Films formed using plasma containing metal ions and non-metal ions enhance the abrasion and corrosion resistance of solid surfaces, and are useful as protective films, optical thin films, transparent conductive films, etc. .
  • a carbon film using carbon plasma is highly useful as a diamond-like carbon film (DLC film) composed of a mixed crystal of diamond structure and graphite structure.
  • DLC film diamond-like carbon film
  • Vacuum arc plasma is formed by an arc discharge generated between a cathode and an anode, a cathode material evaporates from a cathode point present on the cathode surface, and is formed by the cathode evaporating substance.
  • a reactive gas or / and an inert gas a rare gas and a gas
  • the reactive gas or Z and the inert gas are simultaneously ionized.
  • a surface treatment can be performed by forming a thin film on a solid surface or by implanting ions.
  • particles of a vacuum arc plasma such as cathode material ions, electrons, and neutral particles (atoms and molecules) of the cathode material are emitted from the cathode spot, and at the same time, from submicron to several hundred microns ( Also, cathode material fine particles called droplets with a size of 0.01-1000 / im) are emitted.
  • a problem in surface treatment is the generation of droplets. When the droplets adhere to the surface of the base material, the uniformity of the thin film formed on the base material surface is lost, and the thin film becomes defective. For this purpose, the droplets There is no adhesion, a method must be developed.
  • Non-Patent Document 1 R.P.Netterfield and T.J.Kinder, ThinSolid Films 193/194 (1990) 77) (Non-Patent Document 1).
  • a vacuum arc plasma is transported to a processing section through a curved droplet collecting duct.
  • the generated droplets are adhered and captured (collected) on the inner peripheral wall of the duct, and a plasma flow containing almost no droplets is obtained at the duct outlet.
  • a curved magnetic field is formed by a magnet arranged along the duct, and the plasma flow is bent by the curved magnetic field, so that the plasma is efficiently moved to the plasma processing unit.
  • the magnetic filter method has the following problems. Droplets accumulate on the curved outer and inner walls and must be removed periodically. However, the work is not easy because the duct is usually thin. When the droplets are deposited to a thickness of about 0.5 mm, the deposits may be peeled off from the inner wall and mixed into the plasma as impurities. Furthermore, when a high-melting material such as graphite is used for the cathode, the droplet does not completely liquefy, the droplet collides elastically with the inner wall of the curved duct, and is repeatedly reflected and released from the duct outlet. It may adhere to the surface of the material.
  • a high-melting material such as graphite
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-8893
  • FIG. 14 Gt indicates a gas introduction system
  • Gh indicates a gas discharge system
  • V indicates a power supply.
  • a vacuum arc discharge is performed in a vacuum atmosphere in which a reactive gas is introduced to generate plasma, and the plasma is generated in the plasma processing unit T. Let it flow in. Then, the object 130 disposed in the plasma processing part T is subjected to surface processing by plasma.
  • the plasma flow P emitted from the plasma generating unit E is bent in a direction not facing the plasma generating unit by the curved magnetic field, and flows into the plasma processing unit T.
  • a droplet collecting section D for collecting cathode material fine particles (droplets) by-produced from the cathode during plasma generation is arranged.
  • the plasma flow is branched from the droplet flow in a substantially orthogonal direction by a curved magnetic field, and the droplet collecting portion is completely separated from the plasma flow path. Therefore, the droplets can be easily collected and removed, and the droplets can hardly be mixed into the plasma processing part.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-8893
  • Non-Patent Document 1 P.J.Martin, R.P.Netterfield and T.J.Kinder, Thin Solid Filmsl93 / 194 (1990) 77
  • the droplets traveling toward the arc discharge portion, the droplet collection portion D, and the plasma traveling path along which the plasma proceeds are formed. It may collide with the side wall 101. In some cases, the droplets reflected and entered the plasma traveling path, and adhered to the surface of the processing object 130. As described above, in the conventional plasma processing apparatus, the plasma flow and the droplet flow cannot be completely separated. For this reason, droplets may enter the plasma traveling path, making it difficult to form a high-purity film.
  • the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and reliably branches plasma and droplets advancing from an arc discharge unit, and guides the plasma to a plasma advancing path. It is another object of the present invention to provide a plasma generating apparatus in which droplets are reliably collected in a droplet collecting section. It is another object of the present invention to provide a plasma generation apparatus in which a special member is configured in the droplet traveling path to reliably prevent the droplet from entering the plasma traveling path.
  • the present invention has been proposed to solve the above-mentioned problems, and a first aspect of the present invention is to perform plasma arc discharge by performing a vacuum arc discharge in an arc discharge unit set in a vacuum atmosphere. And a cathode material particle (hereinafter, referred to as a “droplet”) that is generated as a by-product from the cathode when the plasma is generated. Is provided in the main traveling path where the vehicle travels in a mixed state. A restricting plate for restricting the progress of the plasma and the droplet is provided in the middle of the road toward the inside, and after passing through the restricting plate, the main traveling path is moved along the droplet force S in the direction of the main traveling path.
  • a cathode material particle hereinafter, referred to as a “droplet”
  • the droplet branches into a substantially ⁇ -shape into a droplet traveling path that advances to the first plasma traveling path and the plasma is bent by the magnetic field, and the droplet that has passed through the limiting plate is directed toward the droplet collecting section.
  • a skew wall for reflection is provided, and the skew wall is provided on a side wall portion of the droplet traveling path, and is formed by a plasma generation device formed at a position beyond the first plasma traveling path. is there.
  • a reflector in the droplet traveling path, is disposed continuously to the sloping wall, and the reflector is positioned near the droplet collecting unit, This is a plasma generation device that collects the droplets reflected by the reflector in the droplet collecting section.
  • the skewed wall is formed such that the droplets traveling from the arc discharge portion are not reflected by the side wall at least once in the space limited by the limiting plate.
  • This is a plasma generation device that is disposed at least at a position where a straight collision occurs.
  • the skewed wall is such that the droplets advancing from the arc discharge portion are reflected once by the side walls in a space limited by the limiting plate, so that a straight collision occurs.
  • the plasma generation device is at least arranged at the position where
  • the skewed wall is such that the droplet advancing from the arc discharge portion is reflected twice on the side wall within the space limited by the limiting plate, and the skewed straight collision occurs.
  • the plasma generation device is at least arranged at the position where
  • the main traveling path includes a first main traveling path extending straight from the arc discharge portion, and a second main traveling path extending from the first main traveling path while being bent from the first main traveling path.
  • This is a plasma generation device composed of a traveling path.
  • a second plasma traveling path which is bent from the first plasma traveling path in a direction opposite to the main traveling path, extends, and the second plasma traveling path branches.
  • This is a plasma generation device in which an auxiliary droplet collection unit is provided.
  • An eighth aspect of the present invention is the plasma generation device, wherein a bending angle of the second plasma advancing path with respect to the first plasma advancing path is equal to or greater than a right angle.
  • a ninth aspect of the present invention is the plasma generating apparatus, wherein a bending angle of the second plasma advancing path with respect to the first plasma advancing path is an acute angle smaller than a right angle.
  • a plasma is generated by performing a vacuum arc discharge in an arc discharge unit set in a vacuum atmosphere, and cathode material particles (droplets) by-produced from the cathode when the plasma is generated.
  • a plasma generating apparatus configured to collect the plasma and the droplets in a droplet collecting section, a main traveling path in which the plasma and the droplets travel in a mixed state is provided.
  • One or more restriction plates for restricting the progress of the droplets are provided inward, and the droplets on which the droplets travel in the main traveling direction after passing through the restriction plates.
  • a branch is formed in a substantially T-shape into a traveling path and a first plasma traveling path in which the plasma is bent by a magnetic field and travels, and the droplet collecting section is provided at a tip end of the droplet traveling path. It is provided a plasma generating apparatus.
  • an auxiliary droplet collecting portion is provided at a tip portion of the plasma advancing path, and the auxiliary droplet collecting section is bent from the first plasma advancing path in front of the auxiliary droplet collecting section.
  • This is a plasma generation device in which a second plasma advancing path is extended at an inclined position.
  • a plurality of buffer plates are attached to the droplet collecting unit and / or the auxiliary droplet collecting unit, and plasma is generated so that the droplets collide with the buffer plate and reflect.
  • plasma is generated so that the droplets collide with the buffer plate and reflect.
  • a thirteenth aspect of the present invention is the plasma generation device, wherein the buffer plate has a flat plate shape, and the buffer plate is arranged obliquely with respect to the opening surface of the collecting unit.
  • a fourteenth aspect of the present invention is the plasma generation device, wherein the buffer plate has a triangular prism shape, and the buffer plates are arranged so that two triangular prism side surfaces are inclined with respect to the opening of the collecting unit. You.
  • a droplet accumulating section is provided in the droplet collecting section and / or the auxiliary drop collecting section, and the width of the droplet accumulating section is reduced as approaching the bottom. It is a plasma generating device having a large diameter.
  • the first plasma advancing path and the Z or second plasma advancing path are provided with a plasma centering constricted portion that gradually reduces the diameter of the plasma advancing path,
  • This is a plasma generation device that narrows the cross-sectional diameter of the plasma flow by the plasma centering throttle unit.
  • a restricting magnetic field generator is provided outside the plasma centering restricting portion, and the number of turns of a coil constituting the restricting magnetic field generator increases in the direction of the plasma. Device.
  • a deflection coil is provided on the output side of the plasma centering diaphragm, and the plasma This is a plasma generator that runs the plasma that has passed through the centering aperture on the xy plane.
  • the plasma traveling along the plasma traveling path is provided at the final end in the traveling direction of the plasma traveling path.
  • a plasma processing apparatus is provided, in which a plasma processing unit for inflowing the gas is disposed, and a surface treatment processing is performed by the plasma on an object disposed in the plasma processing unit.
  • a plasma generation is provided in which a magnetic field generator is provided on the outer periphery before and after the object along the flow of the plasma.
  • the plasma and droplets generated by the arc discharge in the arc discharge unit travel on the main traveling route with the flight space restricted by the restriction plate.
  • the particles advance only to the solid angle opened by the limiting plate, and the other particles are blocked by the limiting plate and enter the main traveling path. Will be blocked.
  • the shape, position, and number of steps of the limiting plate are appropriately set to optimal conditions.
  • the limiting plate is installed along the inner wall of the vacuum chamber, by connecting a droplet traveling path having a diameter smaller than that of the plasma generating section, the plasma generating section and the droplet traveling path are connected.
  • the connecting plate or the flange itself can function as a limiting plate.
  • the droplet moves forward and reaches the droplet traveling path, where the plasma flow is bound by the magnetic field, bends, and is branched into a substantially T-shaped first plasma traveling path.
  • the plasma flow and droplet flow Are separated in a substantially right angle direction.
  • droplets that collide with the sloping wall formed integrally with the side wall are reflected toward the droplet collecting portion and reliably collected by the droplet collecting portion.
  • the skewed wall has a restricted geometrical positional relationship so that, of the droplets passing through the restriction plate, the droplets colliding with the skewed wall are reflected and guided to the droplet collecting portion. I have. Therefore, according to the present apparatus, it is possible to reliably separate the plasma and the droplet from the arc discharge part. Then, the plasma is guided to the first plasma traveling path, and the droplets can be reliably collected in the droplet collecting section. Thus, by providing the restriction plate and the oblique wall, it is possible to reliably prevent the droplet from entering the plasma traveling path.
  • the present invention provides a plasma generating apparatus having a simplified internal structure, in which the oblique wall is integrally formed with a side wall forming a droplet traveling path.
  • the droplet that has traveled straight without being reflected by the oblique wall on the droplet traveling path is The droplets are reflected by the reflector and can be collected in the droplet collecting section.
  • all the droplets that are reflected by the side wall surrounding the droplet traveling path and collide with the reflector are reflected and collected by the droplet collecting unit. Therefore, almost all the droplets are collected by the droplet collecting part by the cooperative action of the oblique wall and the reflector, and almost completely from the plasma bent and guided to the first plasma traveling path. Can be eliminated.
  • the droplets that have passed through the restriction plate among the droplets that have passed through the restriction plate, the droplets that travel straight without being reflected at all by the side walls of the traveling paths (the main traveling path and the droplet traveling path). Will collide with one of the skewed wall and the reflector, and will be collected by the droplet collector after reflection. As a result, a droplet that has traveled straight without being reflected by the side wall of the traveling path cannot enter the first plasma traveling path. Therefore, only the plasma can be advanced in the first plasma advancing path.
  • the droplet that is reflected only once on the side wall of the traveling path (main traveling path and droplet traveling path) and travels straight is one of the oblique wall and the reflecting plate.
  • the droplets reflected by the skewed wall or the reflector are collected by the droplet collecting section.
  • droplets that are reflected once on the side walls of the main traveling path and the droplet traveling path and go straight ahead cannot enter the first plasma traveling path.
  • the droplet that is reflected twice on the side walls of the traveling path (main traveling path and droplet traveling path) and travels straight is one of the skewed wall and the reflector. Will collide.
  • droplets that are reflected twice on the side wall of the main traveling path or the droplet traveling path and go straight do not enter the first plasma traveling path.
  • the third mode and / or the fourth mode only pure plasma can be advanced in the first plasma advancing path.
  • the object to be processed can be processed only by the plasma, and the droplet does not adhere to the surface of the object to be processed.
  • the plasma and the droplet are advanced to the second main traveling path bent and extended from the first main traveling path.
  • the droplet can be reflected toward the droplet traveling route at a point where the vehicle is bent from the first main traveling route and travel straight. This can prevent the droplet from entering the first plasma traveling path.
  • droplets that have traveled straight along the droplet travel path are reflected toward the droplet collecting section by the sloping walls and / or reflectors, and can be reliably collected by the droplet collecting section. it can.
  • the restricting plate can be provided on the first main travel path or Z and the second main travel path, and can guide the plasma flow and droplet flow to the skewed wall, reflector, or droplet collector, and (1) Pure plasma properties of the plasma path can be ensured.
  • plasma is guided to the second plasma traveling path that is bent and extended from the first plasma traveling path.
  • these droplets are captured by the auxiliary droplet collecting section.
  • the second plasma traveling path can extend in any direction within a solid angle of 4 ⁇ with respect to the first plasma traveling path, and the bending angle and the extension angle are adjusted according to the space in which the plasma generation device is installed. The ability to determine the installation direction can be achieved.
  • the second plasma path is bent at a right angle or more from the first plasma path, a small amount of droplets traveling to the first plasma path are The kinetic energy for reflecting off the side wall of the traveling path has almost disappeared. Therefore, the droplet does not proceed in the second plasma traveling path bent at a right angle or more.
  • the droplet since the second plasma traveling path is bent at an acute angle less than a right angle from the first plasma traveling path, the droplet hardly reflects at an acute angle. Therefore, it can be prevented from proceeding in the second plasma traveling path.
  • the tenth aspect of the present invention since one or more restricting plates are provided on the main traveling path, almost all of the droplets that proceed in a state where the plasma and the droplets are further restricted and travel straight ahead are provided. Is collected in the drop collecting section. That is, droplets that have passed through the first limiting plate are reflected straight ahead and are regulated by the second limiting plate. Furthermore, if a third limiting plate is provided, this restriction is further strengthened, and the vehicle can be guided to the droplet traveling path as straight as possible, and the collection of droplets can be ensured. Therefore, the approach to the plasma traveling path is almost completely shut off, and only high-purity plasma is guided to the plasma traveling path.
  • the eleventh mode of the present invention all of the minute residual droplets entering the first plasma advancing path through which the plasma flow is guided are collected by the auxiliary droplet collecting section.
  • the approach to the second plasma path is completely shut off. Therefore, only higher-purity plasma is guided to the second plasma traveling path.
  • the droplet can be moved at a flying speed. Can be repeatedly reflected until the light is lost. Therefore, the droplet is collided and reflected until the flight speed is lost, so that the droplet is located at the bottom of the droplet collecting section. It can be securely adhered or deposited on the part, the side wall or the buffer plate. Therefore, the droplets that have once entered the droplet collecting section are reliably collected, and the purity of the plasma traveling to the plasma advancing path can be kept even higher.
  • the incident droplets can be kept until the flight speed becomes zero.
  • the droplets are colliding and reflected by the inner wall of the applet collecting portion, so that the flying speed of the droplets can be reliably eliminated. That is, in the droplet collecting section where the shock absorbing plate is obliquely arranged, a sufficient number of collision reflections are caused until the flying speed becomes completely zero, and the droplet is surely dropped on the droplet collecting section. Lets be collected.
  • the droplets incident on the side surface of the triangular prism are collided and reflected, whereby the droplets can be reliably collected. That is, by causing the dro bullet to collide and reflect until the flight speed is lost, the droplet is securely adhered or deposited on the bottom, the side wall, or the buffer plate of the droplet collecting portion.
  • the fifteenth aspect of the present invention it is possible to reliably collect the droplets by providing the droplet collecting portion and / or the auxiliary droplet collecting portion with the droplet accumulating portion. I can do it. Further, since the width of the droplet accumulation portion is reduced as approaching the bottom, the droplet loses kinetic energy while being multi-reflected on the inner peripheral surface of the droplet accumulation portion, and moves to the bottom. Move forward intensively. As a result, the droplets adhere or accumulate on the bottom or side wall of the droplet accumulation portion. Since the shape of the droplet stacking portion is a tapered cylindrical shape or a curved cylindrical shape that protrudes in the traveling direction of the droplet and has a reduced diameter, the droplet can be reliably collected.
  • a plasma centering constriction portion in which the cross-sectional diameter of the plasma traveling path is gradually reduced is provided on the first plasma traveling path or the second plasma traveling path.
  • the cross-sectional diameter of the plasma flow can be reduced by the centering throttle section, and the plasma can be controlled so as to pass through the center of the plasma traveling path. Therefore, a beam-like high-density plasma flow is formed, and a uniform thin film can be formed by irradiating the plasma flow on the substrate surface and running the same.
  • the plasma centering throttle unit For example, a guide wall that imposes a geometric constraint, preferably a semi-conical guide wall force that reduces in diameter in the direction of travel, can be configured.
  • a throttle magnetic field generator is attached to the plasma centering throttle portion, and the number of turns of the coil is increased in the plasma advancing direction.
  • the magnetic field can be increased, and the diameter of the plasma flow can be narrowed with high efficiency. That is, since the plasma is guided by the magnetic field and proceeds, the plasma passing through the plasma centering aperture is focused without colliding with the peripheral wall, and further focused with the enhancement of the magnetic field, so that the efficiency is high.
  • a beam-like high-density plasma flow can be formed.
  • a deflection coil is provided on the output side of the plasma centering throttle unit, and the plasma passing through the plasma centering throttle unit can run on the xy plane.
  • the high-density plasma flow can be uniformly irradiated on the entire surface of the workpiece, and a high-quality coating can be formed on the workpiece.
  • a high-purity plasma flow can be introduced into the plasma processing section. That is, since the progress of the droplet is prevented on the plasma traveling path, only the plasma proceeds on the final stage plasma traveling path. Therefore, it is possible to perform the surface treatment with only high-purity plasma on the object to be processed arranged in the plasma processing section. Since no droplets adhere to the object, a high-quality film can be formed.
  • a magnetic field generator is attached to the outer periphery before and after the object to be processed along the flow of plasma.
  • a uniform magnetic field can be formed near the surface of the object. Since the plasma flow can be uniformed by the uniform magnetic field, the surface of the object can be more uniformly irradiated with the plasma, and a high-quality film can be formed on the surface of the object.
  • FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram of a first embodiment of a plasma generation device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional configuration diagram of a modified example of the first embodiment of the plasma generating apparatus according to the present invention.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of a plasma control mechanism in the plasma centering throttle unit 15 and the plasma processing unit 6 according to the present invention.
  • FIG. 4 is an explanatory view showing a state in which droplets traveling from the arc discharge section in the apparatus travel without being reflected at any time by the side wall of the main traveling path.
  • FIG. 5 is an explanatory view showing a state in which droplets traveling from the arc discharge unit in the apparatus are reflected once on the side wall of the main traveling path and travel.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing a state in which droplets traveling from the arc discharge unit in the apparatus are reflected twice on the side wall of the main traveling path and travel.
  • FIG. 7 is a cross-sectional configuration diagram showing an internal structure of a plasma generation device according to a second embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional configuration diagram showing an internal structure of a plasma generation device according to a third embodiment.
  • FIG. 9 is a cross-sectional configuration diagram showing an internal structure of a plasma generation device according to a fourth embodiment.
  • Garden 10 is a cross-sectional configuration diagram showing the internal structure of the plasma generation device of the fifth embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional configuration diagram showing an internal structure of a plasma generation device according to a sixth embodiment.
  • FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a plasma generator of the seventh embodiment.
  • FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a plasma generating apparatus according to an eighth embodiment.
  • FIG. 14 is a schematic view showing a conventional plasma processing apparatus.
  • FIG. 1 is a sectional configuration diagram of a first embodiment of a plasma generation device according to the present invention.
  • the plasma generating apparatus of the first embodiment is assembled as a plasma processing apparatus by being integrated with a plasma processing section including the object T to be processed.
  • the plasma processing method using this plasma processing apparatus generally generates plasma by performing vacuum arc discharge in a vacuum atmosphere, and moves the plasma to the plasma processing section.
  • the object to be treated arranged in the plasma processing part is subjected to surface treatment by plasma.
  • a reactive gas can be introduced into the plasma processing method as needed.
  • this plasma processing method has basically the same configuration for a plasma generation apparatus described in the second to seventh embodiments described later, and the plasma processing apparatus including the plasma processing section also has a plasma generation apparatus. It is called a device.
  • the constituent particles of the plasma consist of evaporated substances from the cathode la of the arc discharge section 1, or charged particles (ions, electrons) that have been turned into plasma originating from the vaporized substance and the introduced gas (source). Pre-plasma molecules and atomic neutral particles are included.
  • the deposition conditions in the plasma processing method are as follows: current: 600 A (preferably 5 to 500 A, more preferably 10 150 A). Furthermore, Voltage: 5 100 V (preferably 10- 80V, further Nozomu Mashiku is 10 50 V), the pressure: 10- 1C> - 10 2 Pa ( preferably 10- 6 - 10 2 Pa, and more preferably 10- 5 l C ⁇ Pa).
  • the plasma generating apparatus shown in Fig. 1 basically has an arc discharge unit 1 formed in a vacuum chamber 1S, and a main unit in which plasma and droplets generated in the arc discharge unit 1 travel in a mixed state. It has a traveling path 2. Further, it has a droplet traveling path 4 in which the droplet travels toward the droplet collecting section 3 and a first plasma traveling path 5 in which the plasma from which the droplet has been separated by the curved magnetic field travels. Further, the plasma processing unit 6 includes a plasma processing unit 6 that performs a surface treatment of the object T by using plasma that advances in the first plasma advancing path 5.
  • the arc discharge unit 1 includes a cathode (force source) la, a cathode protector lb, an anode (anode) lc, a trigger electrode ld, an arc-stabilized magnetic field generator (electromagnetic coil or magnet) le and If. .
  • the cathode la is a source for supplying a main component of plasma, and the material for forming the cathode la is not particularly limited as long as it is a solid having conductivity. Metals, alloys, inorganics, inorganic compounds (metal oxides / nitrides), etc. can be used singly or as a mixture of two or more, regardless of the particulars.
  • the metal simple substance 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, etc.
  • the alloy (metal compound) includes TiAl, AlSi, NdFe and the like.
  • examples of the inorganic simple substance include C and Si.
  • inorganic compounds (ceramics) TiO, ZnO, SnO, ITO ( Indium-Tin-Oxide: oxides such as indium oxide (Tn), In O, Cd SnO, and Cu ⁇
  • carbides and nitrides such as TiN, TiAlC, TiC, CrN, and TiCN can also be mentioned.
  • the cathode protector lb electrically covers and insulates a portion other than the cathode surface to be evaporated, and prevents the vacuum arc plasma generated between the cathode la and the anode lc from being diffused backward. It is.
  • General-purpose heat-resistant ceramics or the like can be used as the cathode protector lb.
  • an electric insulating layer (simply a gap or a ceramic or a fluorine resin is interposed) is formed between the cathode la and a general-purpose stainless steel, an aluminum alloy or the like can be used.
  • the cathode protector lb may be made of a carbon material having a low electrical conductivity (amorphous carbon having a processing temperature of about 800 to 2000 ° C or carbon impregnated with Teflon (registered trademark)).
  • the cathode protector lb may be formed of a heat-resistant ferromagnetic material such as iron or ferrite instead of stainless steel. Then, the cathode protector lb itself is magnetized by the magnetic field applied from the arc stabilizing magnetic field generator le and / or If arranged outside the vacuum chamber 1S, and directly acts on the plasma. This facilitates adjustment of the generated plasma distribution.
  • the material for forming the anode lc is not particularly limited as long as it is a nonmagnetic material that does not evaporate even at the temperature of plasma and is a conductive material. Regardless of a metal simple substance, an alloy, an inorganic simple substance, an inorganic compound (metal oxide 'nitride), etc., they can be used alone or in combination of two or more.
  • the material used for the above-described cathode can be appropriately selected and used.
  • the anode lc is formed of stainless steel, copper, carbon material (graphite: graphite), or the like, and the anode lc is desirably provided with a cooling mechanism such as a water-cooled type or an air-cooled type.
  • the shape of the anode lc is not particularly limited as long as it does not obstruct the entire progress of the arc plasma.
  • it is a cylindrical body (irrespective of a cylinder or a rectangular tube), but it may be formed in a coil shape, a U-shape, or a pair of upper, lower, left and right parallel. Alternatively, they may be formed by arranging them at any position in one of the upper, lower, left and right directions, or at one or more positions.
  • the trigger electrode Id is an electrode for inducing a vacuum arc between the cathode la and the anode lc. That is, by temporarily bringing the trigger electrode Id into contact with the surface of the cathode la and then separating the same, an electric spark is generated between the cathode la and the trigger electrode Id. Electric spark When this occurs, the electric resistance between the cathode la and the anode lc decreases, and a vacuum arc is generated between the cathode and the anode.
  • As the material for forming the trigger electrode Id general-purpose Mo (melting point: 2610 ° C) or W (melting point: 3387 ° C), which is a high melting point metal, is used.
  • the trigger electrode Id is made of a carbon material, preferably graphite (graphite).
  • the arc stabilizing magnetic field generators le and If are arranged on the outer periphery of the vacuum chamber 1S in the arc discharge unit 1, and stabilize the cathode point of the vacuum arc and the plasma generated by the arc discharge. If the arc stabilizing magnetic field generators le and If are arranged such that the applied magnetic fields to the plasma are in opposite directions (cusp shape), the plasma becomes more stable. If the plasma bow I is given priority to the extraction efficiency, or if the anode is located at a position facing the cathode surface and does not hinder the progress of the plasma, or if it is placed at a position, the applied magnetic fields should be in the same direction (mirror type). They can also be arranged in such a way. Further, in FIG. 1, the arc stabilizing magnetic field generator le can be arranged near the force S arranged on the outer periphery of the vacuum chamber S, and the insulating introduction terminal lh of the cathode la at the S end of the vacuum chamber.
  • the cusp-shaped applied magnetic field controls the movement of the arc cathode spot and spreads the plasma in the radial direction (ie, a flat columnar shape) to secure a current path between the cathode and the anode, thereby preventing arc discharge. Stabilize.
  • an electromagnet electromagnet or a permanent magnet is usually used as the magnetic field generators le and If.
  • the magnetic field generator If may be used also as a first plasma induction magnetic field generator 10 described later, in which case there is an advantage that the number of plasma induction magnetic field generators can be reduced.
  • the cathode la, the anode lc, and the trigger electrode Id are each connected to an external arc power supply li via an insulating introduction terminal lh.
  • an arc power supply li use a general-purpose DC, pulse or DC superimposed noise power supply.
  • a 1 m limiting resistor (110 ⁇ ) for limiting (adjusting) the current flowing through the trigger electrode Id is inserted.
  • the plasma processing unit (processing unit) 6 may be connected to a gas introduction system (not shown) and a gas exhaust system (not shown) that may not perform gas introduction. General-purpose systems can be used for these systems. It is assumed that the gas introduction flow rate is controlled to be constant and the exhaust flow rate is controlled so that the degree of vacuum (pressure) of the entire vessel is controlled to be constant.
  • the introduced gas may be introduced from both the plasma processing unit (processing unit) 6 and the arc discharge unit 1, which may be introduced from the arc discharge unit 1. When the gas is introduced from both the process section and the plasma generation section, the type of gas may be different. When a reactive gas is not used, a reactive gas is used as appropriate, in addition to a rare gas (usually, Ar or He) for maintaining a constant pressure.
  • the reactive gas reacts with evaporating particles (plasma particles) using a cathode material or the like as a source to easily form a double compound film.
  • Reactive gases include nitrogen), oxygen ( ⁇ ), water
  • One or more kinds can be appropriately selected and used from the group of 2 2 2 2 2 4 4 2 6 2.
  • the rare gas may be mixed to adjust the concentration of the reactive gas.
  • alcohol vapor, organometallic gas, or organometallic liquid vapor can be used as the reactive gas.
  • the plasma P immediately after the release is bent and moved to the plasma processing section 6 by magnetic field induction in the above-described basic configuration.
  • the cathode material fine particles (droplets) D which are by-produced from the cathode la when plasma is generated, are moved to the droplet collecting section 3 which does not interfere with the plasma processing section 6 and collected and deposited. .
  • a droplet generated from the cathode is electrically neutral and generally not affected by a magnetic field, and thus has a characteristic of moving straight.
  • the main traveling path 2 is branched into a substantially T-shape into a droplet traveling path 4 in which droplets travel and a first plasma traveling path 5 in which plasma travels. ing.
  • a restriction plate 7 for restricting the progress of the plasma and the droplet is provided in the middle of the main traveling path 2 inward. Further, an oblique wall 8 is provided so that the droplet passing through the restriction plate 7 faces the droplet collecting section 3.
  • the sloping wall 8 is provided at an intermediate portion of the droplet traveling path 4, and is formed at a position beyond the first plasma traveling path 5.
  • the skew wall 8 is provided at a branch portion of the droplet traveling path 4 from the first plasma traveling path 5 so as to be steeply inclined upward and obliquely right in FIG. .
  • This The end of the sloping wall 8 on the first plasma traveling path side is located at a position where the main traveling path 2 enters the first plasma traveling path 5 side from the right end on the first plasma traveling path side.
  • the reflection plate 9 is disposed so as to be further gently inclined following the sloping wall 8. Also, the reflection plate 9 is located near the droplet collecting section 3.
  • a first guide having a first plasma induction magnetic field generator 10 at a position outside the middle of the main traveling path 2 in the traveling direction to promote the progress of the plasma traveling in the main traveling path 2 A part 12 is provided. Further, in order to bend the straight-moving plasma into the first plasma advancing path 5, a second guide section 13 having a second plasma-induced magnetic field generation section 11 arranged in an inclined manner is provided. Further, at a position outside the base end of the first plasma advancing path 5 in the traveling direction, a third plasma induction magnetic field generating section that bends the plasma into the first plasma advancing path 5 and moves toward the plasma processing section 6 14 are provided.
  • the third plasma induction magnetic field generation unit 14 is provided with a reduced diameter plasma centering throttle unit 15 for limiting the plasma to be located at the center in the first plasma advancing path.
  • the plasma centering restricting portion 15 may be constituted by a guide plate which merely adds a geometric restriction, and is preferably constituted by a semi-conical guide plate whose diameter is reduced in the traveling direction.
  • a fourth plasma induction magnetic field generation unit 16 is also provided in the plasma traveling direction of the third plasma induction magnetic field generation unit 14.
  • the droplet collecting section 3 is formed so as to be slightly recessed leftward from the left side wall of the droplet traveling path 4.
  • a plurality of buffer plates 17 are arranged obliquely with respect to the collecting section opening surface 3a.
  • the droplets that have entered the droplet collecting unit 3 are configured to reach the bottom of the droplet collecting unit 3 by colliding and reflecting on the buffer plate 17.
  • FIG. 2 is a cross-sectional configuration diagram of a modified example of the first embodiment of the plasma generating apparatus according to the present invention.
  • the induction magnetic field generator 14a installed in the third plasma induction magnetic field generation unit 14 in FIG. 1 is replaced with a diaphragm magnetic field generator 14b.
  • the aperture magnetic field generator 14b is an electromagnetic coil wound along the plasma centering aperture section 15, and the number of turns of the electromagnetic coil is gradually increased along the traveling direction of the plasma P. Therefore, The magnetic field is strengthened along the direction of travel of the plasma, and the plasma P can be narrowed with high efficiency and the force can be centered so that the plasma passes through the center axis of the plasma centering throttle section 15.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of a plasma control mechanism in the plasma centering aperture unit 15 and the plasma processing unit 6 according to the present invention.
  • a beam-shaped high-density plasma flow Ph is formed from the plasma flow (plasma) P, and the high-density plasma flow Ph is scanned over the surface of the workpiece T by the deflection coil 22.
  • (3A) is an overall view of the plasma control mechanism.
  • the first plasma advancing path 5 there is formed a plasma centering constricted portion 15 in which the advancing path cross-sectional diameter is gradually reduced.
  • the diameter of the plasma stream P is mechanically reduced by the plasma centering throttle section 15 and is controlled (centered) so as to pass through the center of the plasma traveling path.
  • the plasma centering throttle section 15 is formed of a guide wall that imposes a geometric restriction, preferably a semi-conical guide wall whose diameter decreases in the traveling direction.
  • the coil constituting the diaphragm magnetic field generator 14b attached to the outer periphery of the plasma centering diaphragm unit 15 is wound along the plasma traveling direction, and the number of turns of the coil increases along the traveling direction. Have been. Since the plasma flow P is guided by the magnetic field b and proceeds, the plasma passing through the plasma centering throttle unit 15 cannot be colliding and reflected on the wall surface. In addition, most of the plasma flow P is focused as the magnetic field b is increased, and a beam-shaped high-density plasma flow Ph is formed with high efficiency.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view of the plasma flow unit 24.
  • a deflection coil 22 is provided on the output side of the plasma centering aperture unit 15. Assuming that the traveling direction of the plasma flow is the Z axis and the plane perpendicular to the traveling direction is the XY plane, the high-density plasma flow Ph that has passed through the plasma centering throttle unit 15 is swept in the xy direction by the deflection coil 22. More specifically, the high-density plasma flow Ph is swept in the X direction by the magnetic field generated by the electromagnets 22a and 22b, and the high-density plasma flow Ph is swept in the Y direction by the magnetic field generated by the electromagnetic stones 22c and 22d.
  • a composite magnetic field of the magnetic field in the X direction generated by the magnetic stones 22a and 22b and the magnetic field in the Y direction generated by the electromagnets 22c and 22d Sweeps the high-density plasma flow Ph in the XY direction by the field.
  • the electromagnets 22a and 22b provided on the left and right and the electromagnets 22c and 22d provided on the upper and lower sides are respectively electrically linked. Saddle-shaped coils are desirable as these electromagnets 22a, 22b, 22c, 22d, but known deflection coils can be used.
  • FIG. 3C is a modified example of the plasma flow unit 24.
  • the sweep mechanism of the high-density plasma flow Ph is the same as in (3B).
  • the cross section of the first plasma advancing path 5 is formed in a circular shape, and the electromagnets 22a, 22b, 22c, 22d are provided on the outer periphery so as to be curved along the shape.
  • magnetic field generators 26a and 26b are provided on the outer periphery of the processed portion front 6a and the processed portion rear 6b.
  • a uniform magnetic field b is generated near the surface of the object to be processed, and the surface of the object to be processed T is uniformly irradiated with the plasma flow P. Therefore, a more uniform coating can be formed on the object T to be processed.
  • Fig. 4 is an explanatory diagram showing a state in which a droplet that travels in the arc discharge portion in the same device travels without being reflected at all by the side wall of the main traveling path.
  • the oblique wall 8 has a drawlet traveling from the arc discharge section 1 in a space restricted by the restricting plate 7 so that the main traveling path 2 It is located at a position where it collides straight ahead without being reflected at any time by the side wall. Therefore, the droplet that travels straight without being reflected at any time by the side wall of the main traveling path 2 collides with the skew wall 8 and the reflection plate 9 or the gap.
  • the droplet that has traveled straight without being reflected at any time by the side wall of the main traveling path 2 cannot enter the first plasma traveling path 5. Therefore, only the plasma travels in the first plasma advancing path 5, and the processing target T can be processed only by the plasma, and the droplets do not adhere to the surface of the processing target T. .
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing a state in which advancing droplets are reflected once on the side wall of the main traveling path and proceed.
  • the skew wall 8 reflects the droplet advancing from the arc discharge unit 1 once on the side wall of the main traveling path 2 in the space limited by the limiting plate 7 and collides straight. Is located in the position. Therefore, a droplet that is reflected once by the side walls of the main traveling path 2 and the droplet traveling path 4 and travels straight ahead collides with one of the inclined wall 8 and the reflecting plate 9.
  • the droplet that is reflected once by the side walls of the main traveling path 2 and the droplet traveling path 4 and travels straight does not enter the first plasma traveling path 5. Therefore, only the plasma proceeds in the first plasma advancing path 5, and the object T can be subjected to the calorie treatment only with the plasma, and the droplet does not adhere to the surface of the object T.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing a state in which droplets traveling from the arc discharge unit in the apparatus are reflected twice on the side walls of the main traveling path and the droplet traveling path and travel.
  • the skewed wall 8 reflects droplets traveling from the arc discharge section 1 twice on the side wall of the main traveling path 2 in the space restricted by the restriction plate 7 and collides straight ahead. It is located at the position where Therefore, a droplet that travels straight after being reflected twice on the side walls of the main traveling path 2 and the droplet traveling path 4 will collide with one of the inclined wall 8 and the reflector 9.
  • the droplet that is reflected twice on the side walls of the main traveling path 2 and the droplet traveling path 4 and travels straight does not enter the first plasma traveling path 5.
  • droplets that are non-reflective, single-reflected or double-reflected on the side wall of the traveling path collide with the sloping wall 8 or the reflecting plate 9 and reliably reach the droplet collecting section 3. Collected. Since droplets reflecting three or more times are statistically nonexistent, the droplets cannot enter the first plasma path. Therefore, only the plasma travels in the first plasma advancing path 5, and the processing target T can be processed only by the plasma, and the droplet does not adhere to the surface of the processing target T. Les ,.
  • FIG. 7 is a cross-sectional configuration diagram showing the internal structure of the plasma generator of the second embodiment.
  • the same members and the same portions as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • a first main traveling path 2 A is provided as the main traveling path 2 in a straight line from the arc discharge unit 1.
  • the first main traveling path 2A also bends clockwise to extend the second main traveling path 2B.
  • the point that the main traveling path 2 is composed of the first main traveling path 2A and the bent second main traveling path 2B is different from that of the second embodiment.
  • the second main traveling path 2B is branched into a substantially T-shape into a droplet traveling path 4 in which the droplet force S proceeds and a first plasma traveling path 5 in which the plasma proceeds.
  • a first auxiliary plasma induction magnetic field generator 18 for guiding plasma to the first plasma traveling path 5 is arranged outside the first plasma traveling path 5 and the droplet traveling path 4.
  • the plasma that has traveled along the second main travel path 2B is guided toward the first plasma travel path 5 by being bent toward the first plasma travel path 5 by the bending magnetic field of the second guide portion 13 and the first auxiliary plasma induction magnetic field generator 18. It becomes.
  • the plasma and the droplets travel on the second main travel path 2B that is bent and extended from the first main travel path 2A of the main travel path 2.
  • the droplet can be reflected toward the droplet traveling path 4 at the point where the first main traveling path 2A bends, and travel straight.
  • FIG. 8 is a cross-sectional configuration diagram showing the internal structure of the plasma generator of the third embodiment.
  • the same members and the same portions as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • the main traveling path 2 connected to the arc discharge unit is substantially T-shaped in the droplet traveling path 4 and the first plasma traveling path 5. It is branched into a letter shape. Further, the second plasma traveling path 19 is bent by 90 degrees from the first plasma traveling path 5 toward the opposite side of the main traveling path 2 to extend, and an auxiliary droplet is provided at a branch portion of the second plasma traveling path 19. A collection unit 20 is provided.
  • the first plasma traveling path 5 and the second plasma traveling path 19 are formed on the same plane, but the second plasma traveling path 19 may be extended in a direction perpendicular to the plane of the paper. is there.
  • the bending angle is not limited to 90 degrees.
  • the second plasma traveling path is bent in all directions in the 4 ⁇ space from the first plasma traveling path and extended. It is possible to set up.
  • a fifth plasma induced magnetic field generation unit 21 is provided outside the first plasma traveling path 5. Have been killed. Note that the third plasma induction magnetic field generation unit 14 and the fourth plasma induction magnetic field generation unit 16 are provided on the second plasma traveling path 19 side.
  • the plasma is advanced from the first plasma advancing path 5 to the second plasma advancing path 19 that is bent and extended. At this time, if there are any remaining droplets traveling in the first plasma traveling path 5, the droplets can be collected by the auxiliary droplet collecting unit 20 in a force S. This can further prevent the droplet from advancing to the second plasma advancing path 19.
  • FIG. 9 is a cross-sectional configuration diagram showing the internal structure of the plasma generator of the fourth embodiment.
  • the same members and the same parts as those in the above-described first and third embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • the plasma generation device of the fourth embodiment is a modification of the fourth embodiment shown in FIG.
  • the first plasma traveling path 5 is bent 90 degrees from the first plasma traveling path 5 to the opposite side of the main traveling path 2, and the middle part is further bent at an obtuse angle to extend the second plasma traveling path 19A.
  • An auxiliary droplet collecting unit 20 is provided at a branch portion of the second plasma traveling path 19A.
  • the first plasma traveling path 5 is bent by 90 degrees and the middle part is further bent at an obtuse angle to extend the second plasma traveling path 19A.
  • the droplet does not advance to the portion bent at the obtuse angle, so that the droplet can be prevented from entering the second plasma traveling path 19A.
  • FIG. 10 is a cross-sectional configuration diagram showing the internal structure of the plasma generator of the fifth embodiment.
  • the plasma generator of the fifth embodiment is a modification of the plasma generator of the second embodiment shown in FIG.
  • a first main path 2A is provided in a straight line.
  • a second main traveling path 2B is formed to extend downwardly from the first main traveling path 2A in the figure.
  • a first plasma traveling path 5 extends from the second main traveling path 2B in a substantially T-shape by bending 90 degrees. From the first plasma advancing path 5 to the second clockwise acute angle (less than 90 degrees) The plasma traveling path 19 is bent and extended. That is, the angle between the direction of the first plasma traveling path 5 and the direction of the second plasma traveling path 19 is set to an acute angle of less than 90 degrees.
  • the first plasma traveling path 5 is bent at an acute angle and continues to the second plasma traveling path 19. Therefore, if there is a droplet entering the first plasma traveling path 5, the droplet is reflected at this bent portion. Then, when the kinetic energy disappears, the droplet does not reach the second plasma traveling path 19, and the entry of the droplet into the second plasma traveling path 19 can be prevented.
  • FIG. 11 is a sectional view showing the internal structure of the plasma generating apparatus according to the sixth embodiment.
  • the sloping wall 8 is not provided in the plasma generator of the sixth embodiment. That is, a main traveling path 2 in which the plasma and the droplet travel in a mixed state is provided, and the main traveling path 2 is divided into a droplet traveling path 4 in which the droplet proceeds and a first plasma traveling path 5 in which the plasma proceeds. It branches downward in a substantially T-shape. Further, two restriction plates 7A and 7B for restricting the progress of the plasma and the droplet are provided in the middle part of the main traveling path 2 in front and behind. The limiting plates 7A and 7B are members for directionally limiting the amount of plasma or droplet advancement. By further increasing the number of steps, the droplet amount can be particularly reduced. By providing one or more restricting plates, especially ones, it is possible to collect droplets almost completely in the drawlet collection part even if there is no sloping wall.
  • a droplet collecting section 3 is provided at a distal end of the droplet traveling path 4, and an auxiliary droplet collecting section 20 is provided at a distal end of the first plasma traveling path 5.
  • a second plasma traveling path 19 is provided to extend from the first plasma traveling path 5 in front of the auxiliary droplet collecting unit 20 in a direction bent from the first plasma traveling path 5.
  • the buffer plate 17 has a triangular prism shape, and the buffer plate 17 is arranged so that two triangular prism side surfaces are inclined with respect to the collection unit opening surface 20a.
  • the main traveling path 2 is restricted by the two restriction plates 7A and 7B in the progress of the plasma and the droplet. Collected in the collection unit 3 . Furthermore, the remaining drone entering the first plasma traveling path 5 All the droplets can be prevented from being collected by the auxiliary droplet collecting unit 20 and proceeding to the second plasma advancing path 19.
  • FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing the internal structure of the plasma generator of the seventh embodiment.
  • the plasma generation device of the seventh embodiment is a modification of the plasma generation device of the first embodiment.
  • a droplet accumulating portion 3b of a tapered tubular body that is reduced in diameter and closed toward the back is extended to the droplet collecting portion 3A.
  • the diameter of the droplet collecting section 3A is reduced toward the back, irregular reflection of the droplet toward the droplet traveling path 4 can be reduced. it can. That is, the droplet can be reliably collected in the droplet collecting section 3A.
  • FIG. 13 is a schematic configuration diagram showing the internal structure of the plasma generation device according to the eighth embodiment.
  • a droplet collecting portion 3b of a curved cylindrical body is formed in a droplet collecting portion 3B at the tip of the main traveling path 2. . Irregular reflection is repeated on the inner peripheral surface of the droplet deposition portion 3b of the curved tubular body, and the divergence proceeds to the back, and eventually loses kinetic energy and stops at the end. Further, a tapered cylindrical droplet stacking portion 3b which extends toward the back and is closed by reducing the diameter thereof extends to the auxiliary droplet collecting portion 20B.
  • auxiliary droplet collecting portion 20B of the tapered cylindrical body is reduced in diameter toward the back, irregular reflection of the droplet toward the second plasma advancing path 19 can be reduced. That is, the droplets can be reliably collected in the auxiliary droplet collecting section 20B.
  • the plasma generating apparatus according to the present invention can be mainly used for a plasma processing apparatus used for industrial use.
  • it can be suitably used for surface treatment for forming a film on the surface of a metal or non-metal workpiece.
  • the material and the shape of the object to be treated can be arbitrarily determined.
  • the protective film can be formed excellently on the surface of the object.

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Abstract

　アーク放電部から進行するプラズマとドロップレットを確実に分離でき、プラズマはプラズマ進行路に導きドロップレットはドロップレット捕集部に確実に捕集でき、プラズマ進行路へのドロップレットの進入を防止する。 　アーク放電部１の真空アーク放電でプラズマを発生させ、プラズマ発生時に陰極から副生するドロップレットをドロップレット捕集部３に捕集するもので、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を設け、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とに分岐し、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を設け、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に向けて反射させる斜行壁８をドロップレット進行路４の途中部に設け且つ第１プラズマ進行路５を越えた位置に形成する。

Description

明 細 書
プラズマ生成装置
技術分野
[0001] 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。
背景技術
[0002] 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ィォ 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、カーボンブラ ズマを利用した炭素膜はダイヤモンド構造とグラフア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膜とレ、う）として利用価値が高レ、。
[0003] 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、真空アークブラ 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 (希ガスとレ、う）を導入した場合には、反応性ガス又は Z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。
[0004] 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— 1000 /i m)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 ブ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 が付着しなレ、方法が開発されなければならなレ、。
[0005] 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, ThinSolid 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レ、る。
[0006] 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 湾曲するダ外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、被力卩ェ物表面に付着してしまうことがある。
[0007] 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 1 4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。
[0008] 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が配置されてレ、る。 [0009] 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 つて、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。
特許文献 1 :特開 2002 - 8893号公報
非特許文献 1 : P.J.Martin, R.P.Netterfield and T.J. Kinder, Thin Solid Filmsl93/194 (1990)77
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0010] ところ力 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 力 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ブラ 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つ 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。
[0011] 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。
課題を解決するための手段
[0012] 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「ドロップレツ 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力 S 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 τ字形に分岐し、前記制限板を通過したドロッ ブ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。
[0013] 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。
[0014] 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 ブレットが、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。
[0015] 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 ブレットが、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。
[0016] 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 ブレットが、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。
[0017] 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 てレ、るプラズマ生成装置である。
[0018] 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。
[0019] 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。 [0020] 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。
[0021] 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 ブ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。
[0022] 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。
[0023] 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ツ 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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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ツ 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。
[0027] 本発明の第 16の形態は、前記第 1プラズマ進行路及び Z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。
[0028] 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卷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。
[0029] 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平面上に走查するブラ ズマ生成装置である。
[0030] 本発明の第 19の形態は、第 1一第 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。
[0031] 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、ブラ 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。
発明の効果
[0032] 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 させること力 S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。
[0033] 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 ブ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。し力、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 る力 、内部構造を簡略化したプラズマ生成装置が提供される。
[0034] 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、殆どすベ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。
[0035] 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 ブレットは、第 1プラズマ進行路内に入り込むことがなレ、。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、ドロップレット力 s被処 理物の表面に付着することがない。 [0036] 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 レ、。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。ドロップレット力 s 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。
[0037] 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、ドロップレツ トが被処理物の表面に付着することがなレ、。
[0038] 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 Z及び第 2主進行路に設け ること力 S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。
[0039] 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 集すること力 S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 4 π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 を決定すること力 Sできる。
[0040] 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。
[0041] 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ブラ 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。
[0042] 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。
[0043] 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。
[0044] 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 Ζ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 ブ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。
[0045] 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、ドロップレツ 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。
[0046] 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ブ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。
[0047] 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 捕集すること力できる。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
[0048] 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、更にプラズマがブラ 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查するこ 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 円錐状ガイド壁力 構成されることができる。
[0049] 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、そのコイルの卷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。
[0050] 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 に走查することができる。ビーム状の高密度プラズマ流を xy方向に走查することによ つて、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。
[0051] 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力卩ェ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レ、ので、高品質の被膜を形成できる。
[0052] 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。
図面の簡単な説明
[0053] [図 1]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。
[図 2]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。 園 3]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。
園 4]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。
園 5]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。
園 6]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 7]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。
[図 8]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。
[図 9]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。 園 10]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。
[図 11]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。
園 12]図 12は第 7実施形態のプラズマ生成装置の概略構成図である。
園 13]図 13は第 8実施形態のプラズマ生成装置の概略構成図である。
園 14]図 14は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 真空チャンノ 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
la 陰極
lb 陰極プロテクタ lc 陽極
Id トリガ電極
le アーク安定化磁界発生器
If アーク安定化磁界発生器 lh 絶縁導入端子
li アーク電源
lm 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
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
発明を実施するための最良の形態
[0055] 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。
[0056] 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力卩ェを行う 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ブラ 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ブラ ズマ加工装置もプラズマ生成装置と称される。
[0057] プラズマの構成粒子は、アーク放電部 1の陰極 l a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 りでなぐ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： 1一 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— 1C>— 102Pa (望ましくは 10— 6— 102Pa、更に望ましくは 10— 5 l C^Pa)である。
[0058] 図 1のプラズマ生成装置は、基本的に、真空チャンバ一 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の表面処理力卩ェを行うプラズマ加工部 6を有するものである。
[0059] アーク放電部 1は、陰極（力ソード） l a、陰極プロテクタ lb、陽極（アノード） l c、トリ ガ電極 l d、アーク安定化磁界発生器 (電磁コイル若しくは磁石） l e及び Ifを備えて いる。陰極 l a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 すること力 Sできる。
[0060] 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等力 S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、 Zn〇、 SnO、 ITO ( Indium-Tin-Oxide :スズ混入酸化インジウム）、 In O、 Cd SnO、 Cu〇等の酸化物
2 3 2 4
がある。更に、 TiN、 TiAlC、 TiC、 CrN、 TiCN等の炭化物'窒化物等も、それぞれ 挙げること力 Sできる。
[0061] 陰極プロテクタ lb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 laと陽極 lc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 lb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 la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 lbは低導電率の炭素材（処理温度 800 2000°C程度のァモ ルファス炭素や、テフロン (登録商標)含浸炭素）でもよレ、。
[0062] また、上記において陰極プロテクタ lb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、真空チャンバ一 Sの外側 に配置されたアーク安定化磁界発生器 le及び/又は Ifから印加される磁界により、 陰極プロテクタ lb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。
[0063] 陽極 lc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 lcはステンレス鋼、銅又は炭素材（黒鉛:グラフアイト）等から 形成され、この陽極 lc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。
[0064] また陽極 lc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 力、 1箇所、又は複数箇所に配置して形成してもよい。
[0065] トリガ電極 Idは、陰極 laと陽極 lc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 Idを一時的に陰極 laの表面に接触させ、その後引き離すこと で、この陰極 laとトリガ電極 Id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 laと陽極 lcとの間の電気抵抗が減少し、陰極一陽極間に真空ァー クが発生する。トリガ電極 Idの形成材料は、高融点金属である汎用の Mo (融点： 26 10°C)や W (融点： 3387°C)等が用いられる。又、トリガ電極 Idは炭素材、好ましくは 、黒鉛 (グラフアイト）から形成される。
[0066] アーク安定化磁界発生器 le及び Ifは、アーク放電部 1における真空チャンバ一 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 le及び Ifが配置された場合、プラズマはより安定する。プ ラズマの弓 I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 を妨げなレ、位置に配置されてレ、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 leは真空チャン バー Sの外周に配置してある力 S、真空チャンバ一 S端における陰極 laの絶縁導入端 子 lh近傍に配置することもできる。
[0067] 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 le及び If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 Ifは、後述の第 1 プラズマ誘導磁界発生器 10と兼用してもよぐその場合、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。
[0068] そして、陰極 la、陽極 lc及びトリガ電極 Idは、それぞれ、絶縁導入端子 lhを介し て外部のアーク電源 liと接続されている。アーク電源 liには、汎用の直流、パルス若 しくは直流重畳ノ^レス電源を使用する。尚、トリガ電極 Idとアーク電源 liとの間には、 通常、トリガ電極 Idに流れる電流を制限 (調整）するための制限用抵抗（1一 10 Ω ) 1 mを揷入する。
[0069] 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力 ガス導入シス テム（図示略)及びガス排出システム（図示略）を接続してもよレ、。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。 [0070] 導入ガスは、アーク放電部 1から導入してもよぐプラズマ加工部（処理部） 6とァー 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。
[0071] 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 ）、酸素（〇）、水
2 2 素（H )、炭化水素ガス（C H、 C H、 CH、 C H等）、酸化炭素ガス（CO、 CO )
2 2 2 2 4 4 2 6 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レ、ることができ る。
[0072] このプラズマ加工装置にぉレ、ては、上記した基本構成にぉレ、て、放出直後のブラ 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 l a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。
[0073] 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。
[0074] 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、し力、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。
[0075] 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。
[0076] 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。し力も、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。
[0077] 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内を進行するブラ 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 1 2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。
[0078] 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。
[0079] 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。
[0080] 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に沿って卷回された電磁コイルであり、電 磁コイルの卷数がプラズマ 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、し力もブラ 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。
[0081] 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（ブラズ 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。
[0082] 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卷かれ、且つ進行方向に沿って コイルの卷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 なレ、。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。
[0083] (3B)は、プラズマ流走查部 24の断面図である。前記プラズマセンタリング絞り部 1 5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方向に走查することにより、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 つて、高品質な被膜を作成することができる。
[0084] (3C)は、プラズマ流走查部 24の変形例である。この変形例において、高密度ブラ 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。
[0085] (3A)におレ、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、 26 b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、被処理物丁の 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。
[0086] 図 4は同装置におけるアーク放電部力 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 ブレットが、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のレ、ずれかに衝突することとなる。
[0087] 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レ、。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レ、。
[0088] 図 5は同装置におけるアーク放電部力 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。 [0089] 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 つて、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 ブレットは、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はプラズマだけでカロ ェ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。
[0090] 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
[0091] 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 4一図 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レ、。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、ドロップレツ トが被処理物 Tの表面に付着することがなレ、。
[0092] 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。
[0093] 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としてはァ 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 2 A力も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、ドロップレット力 S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。
[0094] 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補助ブラ 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。
[0095] 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 力 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。
[0096] 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によつ 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。
[0097] 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。
[0098] 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ぐ第 1プラズマ進行路から 4 π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。
[0099] 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 1 6とは、第 2プラズマ進行路 19側に設けられている。
[0100] 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ブラ 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 捕集すること力 S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。
[0101] 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。
[0102] 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が延設されてレ、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。
[0103] 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。
[0104] 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。
[0105] 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。
[0106] 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。
[0107] 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、その運動ェ ネルギ一が消失すると第 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。
[0108] 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。
[0109] 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ツ 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 ブレット量を低減できる。制限板を 1ケ所以上、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ブレット捕集部に捕集することが可能になる。
[0110] 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
[0111] 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 力 S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。
[0112] 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。
[0113] 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。
[0114] 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。
[0115] 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。
[0116] 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。
[0117] 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。
[0118] 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ぐ本発明の技術的思 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。
産業上の利用可能性
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 ぐこの被処理物表面に保護被膜を秀麗に形成できる。

Claims

請求の範囲
[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、前記ブラ 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 τ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、し力も前記第 1プラズマ進行路 を越えた位置に形成されていることを特徴とするプラズマ生成装置。
[2] 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請求項 1に記載のプラズマ生 成装置。
[3] 前記斜行壁は、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 置されている請求項 1又 2に記載のプラズマ生成装置。
[4] 前記斜行壁は、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 ている請求項 1、 2又は 3に記載のプラズマ生成装置。
[5] 前記斜行壁は、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 ている請求項 1、 2、 3又は 4に記載のプラズマ生成装置。
[6] 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請求項 1又は 2に記 載のプラズマ生成装置。
[7] 前記第 1プラズマ進行路から更に屈曲する第 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請求項 1又は 2に記載のプラズマ生成装置。
[8] 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 る請求項 7に記載のプラズマ生成装置。
[9] 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 角である請求項 7に記載のプラズマ生成装置。
[10] 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ことを特徴とするプラズマ生成装置。
[11] 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ブラ ズマ進行路が延設されている請求項 10に記載のプラズマ生成装置。
[12] 前記ドロップレット捕集部及び/又は前記補助ドロブ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請求項 1一 11のいずれかに記 載のプラズマ生成装置。
[13] 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 される請求項 12に記載のプラズマ生成装置。
[14] 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請求項 12に記載のプラズマ生成装置。
[15] 前記ドロップレット捕集部及び/又は前記補助ドロブ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請 求項 12— 14のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
[16] 前記第 1プラズマ進行路又は第 2プラズマ進行路には、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、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請求項 1一 11のいずれかに記載のプラ ズマ生成装置。
[17] 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卷数がプラズマの進行方向に従って増加する請求項 16 に記載のプラズマ生成装置。
[18] 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平面上に走查する請求項 16又は 17に記載のブラ ズマ生成装置。
[19] 上記した請求項 1一 18のいずれか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力卩ェ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。
[20] 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 19に記載のプラズマ生成装置。
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