WO2009119655A1 - プラズマ生成装置及びプラズマ処理装置 - Google Patents

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WO2009119655A1
WO2009119655A1 PCT/JP2009/055935 JP2009055935W WO2009119655A1 WO 2009119655 A1 WO2009119655 A1 WO 2009119655A1 JP 2009055935 W JP2009055935 W JP 2009055935W WO 2009119655 A1 WO2009119655 A1 WO 2009119655A1
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advancing tube
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祐一 椎名
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株式会社フェローテック
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    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
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    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
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    • H01J37/32357—Generation remote from the workpiece, e.g. down-stream
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • 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 performs cathode arc discharge in an arc discharge section set in a vacuum atmosphere to generate plasma from the target surface, and cathode material particles (hereinafter referred to as “droplets”) that are by-produced from the cathode when the plasma is generated.
  • the present invention relates to a plasma generation apparatus including a droplet removal unit that removes water and a plasma processing apparatus that performs plasma processing using plasma generated by the plasma generation apparatus.
  • a solid can be improved by forming a thin film on the surface of the solid material or implanting ions in plasma.
  • a film formed using a plasma containing metal ions or non-metal ions enhances the wear resistance and corrosion resistance of the solid surface, and is useful as a protective film, an optical thin film, a transparent conductive film, and the like.
  • a carbon film using carbon plasma has a high utility value as a diamond-like carbon film (referred to as a DLC film) made of an amorphous mixed crystal having a diamond structure and a graphite structure.
  • the vacuum arc plasma is a plasma formed by an arc discharge generated between the cathode and the anode, and the cathode material evaporates from the cathode spot existing on the cathode surface.
  • reactive gas is introduce
  • reactive gas is also ionized simultaneously.
  • An inert gas (referred to as a rare gas) may be introduced together with the reactive gas, or the inert gas may be introduced instead of the reactive gas.
  • surface treatment can be performed by forming a thin film on a solid surface or implanting ions.
  • vacuum arc plasma constituent particles such as cathode material ions, electrons, and cathode material neutral particles (atoms and molecules) are emitted from the cathode spot, and at the same time, sub-micron to several hundred microns (0.01). Cathode material fine particles called droplets having a size of ⁇ 1000 ⁇ m are also emitted.
  • generation of droplets is a problem in surface treatment such as film formation. When the droplets adhere to the surface of the object to be processed, the uniformity of the thin film formed on the surface of the object to be processed is lost, resulting in a defective film.
  • Non-Patent Document 1 One method for solving the droplet problem is the magnetic filter method (P.J..Martin, tinR.P. Netterfield and T.J. Kinder, Thin Solid Films 193/194 (1990) 77) (Non-Patent Document 1).
  • vacuum arc plasma is transported to a processing section through a curved droplet collecting duct.
  • the generated droplets are attached and captured (collected) on the inner wall of the duct, and a plasma flow containing almost no droplets is obtained at the duct outlet.
  • a bending magnetic field is formed by a magnet arranged along the duct, and the plasma flow is bent by the bending magnetic field, so that the plasma is efficiently guided to the plasma processing unit.
  • Patent Document 1 discloses a plasma processing apparatus having a droplet collecting section.
  • FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a conventional plasma processing apparatus.
  • the plasma generator 102 is connected to a power source 110 for generating electric sparks and vacuum arc discharge, and plasma stabilizing magnetic field generators 116 a and 116 b for stabilizing the plasma 109 are disposed.
  • the plasma 109 is guided from the plasma generation unit 102 to the plasma processing unit 112, and the workpiece 114 disposed in the plasma processing unit 112 is surface-treated by the plasma 109. Further, a reactive gas is introduced as necessary by the gas introduction system Gt connected to the plasma processing unit 112, and the reactive gas and the plasma flow are exhausted by the gas exhaust system Gh.
  • the plasma 109 emitted from the plasma generation unit 102 is bent in a T shape in a direction not facing the plasma generation unit 102 by a magnetic field and flows into the plasma processing unit 112.
  • a droplet collection unit 120 for collecting cathode material fine particles (droplets) 118 by-produced from the cathode when the plasma 109 is generated is disposed. Therefore, the droplet 118 that is not affected by the magnetic field travels to the droplet collecting unit 120 and is collected, and the droplet 118 is prevented from entering the plasma processing unit 112.
  • specific droplet collecting means for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No.
  • Patent Document 2 droplets that do not reach the plasma processing portion are attached and collected by a baffle provided on the inner wall of the plasma duct. It is disclosed. JP 2002-8893 A JP 2002-105628 A PJ Martin, RP Netterfield and TJ Kinder, Thin Solid Films 193/194 (1990) 77
  • the droplet 118 that is not affected by the magnetic field is collected by the droplet collecting unit 120, but an electric charge is given by the interaction with the plasma 109 or the like.
  • the charged droplets are guided to the plasma processing unit 112 by a magnetic field.
  • a droplet having a small particle diameter that is not collected by the droplet collecting unit 120 may be guided to the plasma processing unit 112 while reflecting the wall surface.
  • the plasma flow is bent by the bending magnetic field, and the plasma is efficiently moved to the plasma processing portion, so that it is mixed into the plasma flow. It was not possible to prevent the charged droplets and minute droplets from being guided to the plasma processing portion without being removed and colliding or adhering to the surface of the object to be processed.
  • an object of the present invention is to provide a plasma generation apparatus capable of more efficiently removing droplets mixed in plasma generated in the plasma generation apparatus and improving surface treatment accuracy such as film formation by high purity plasma. And a plasma processing apparatus for performing plasma processing using plasma generated by the plasma generation apparatus.
  • the present inventor has arranged a droplet removing unit for removing droplets by-produced from the cathode when plasma is generated in the plasma traveling path.
  • the relationship of (deposition rate) was verified.
  • a film formation rate (nm / sec) was determined in a film formation process in which plasma irradiation was performed on a single substrate for 4 seconds.
  • a substrate having a width d1 of 2.5 in (inch), a length D2 of 2.5 in (inch), and an arbitrary thickness t was used.
  • FIG. 11 shows the relationship between the plasma transport distance and the film formation rate.
  • the plasma transport distance is defined as the total distance until the plasma emitted from the plasma generation unit (target surface) reaches the workpiece (substrate) in the plasma processing unit.
  • A1 and A2 in FIG. 11 show the case of using the plasma traveling path bent in a T shape shown in FIG. 12, and the case of using the curved plasma traveling path shown in Non-Patent Document 1, respectively.
  • the distances are 1440 mm and 1380 mm.
  • the film formation rate on the A-shaped T-shaped plasma traveling path is about 0.3 nm / sec, and the film deposition rate on the curved plasma traveling path in A2 is about 0.6 nm / sec. From the above verification, it can be seen that the plasma transport distance affects the film formation rate.
  • the adhesion amount of droplets is preferably 50 or less in the above-mentioned 2.5 in (inch) ⁇ 2.5 in (inch) size substrate, but in the above verification, about 1000 droplets adhere. It was. Considering that the plasma transport distance has an influence on the deposition rate, the deposition rate can be improved by shortening the plasma transport distance by the plasma traveling path. As a result, it was found that the amount of droplets invading increased.
  • the present inventor reduced the entire plasma traveling path by forming an inclined plasma traveling path in the middle of the plasma traveling path and bending the plasma traveling path in three stages.
  • the inventors have obtained knowledge that plasma treatment can be performed at a suitable film formation rate by preventing the penetration of droplets more efficiently.
  • a first aspect of the present invention includes a plasma generation unit that generates a plasma from a target surface by performing a vacuum arc discharge in a vacuum atmosphere, and a plasma traveling path for advancing the plasma generated by the plasma generation unit.
  • a droplet removing unit for removing droplets is disposed in the plasma traveling path, and the droplet removing unit is connected to the plasma straight tube connected to the plasma generating unit, and is connected to the plasma straight tube in a bent shape.
  • Total length L to reach is a set plasma generating apparatus so as to satisfy the 900 mm ⁇ L ⁇ 1350 mm.
  • the second plasma progresses at a position where the plasma outlet side of the first plasma advancing tube is not seen in a straight line from the plasma outlet of the third plasma advancing tube.
  • a plasma generating device in which tubes are arranged geometrically.
  • the elevation angle from the upper end of the cross section on the plasma inlet side of the third plasma advancing tube to the lower end of the cross section on the plasma outlet side of the first plasma advancing tube is ⁇ .
  • the elevation angle from the tube cross-section lower end of the third plasma advancing tube on the plasma outlet side to the tube cross-section upper end of the second plasma advancing tube on the plasma outlet side is ⁇ 0 , the plasma generating apparatus satisfying ⁇ ⁇ ⁇ 0 It is.
  • the plasma straight tube, the first plasma traveling tube, the second plasma traveling tube, and the third plasma traveling tube are provided.
  • the plasma generating apparatus deflects the plasma flow toward the tube center side by the deflection magnetic field generated by the deflection magnetic field generating means.
  • the deflection magnetic field generating means includes a yoke disposed on an outer periphery of the first plasma advancing tube and / or the second plasma advancing tube, and the yoke.
  • the yoke is a plasma generating apparatus that includes a wound magnetic field coil, and the yoke is adjusted to slide in the tube axis direction, rotate in the circumferential direction, and / or swing adjusted in the tube axis direction.
  • the magnetic field generating means for transporting the plasma includes the straight plasma traveling tube, the first plasma traveling tube, the second plasma traveling tube, and the third plasma traveling tube. It is a plasma generation apparatus which consists of a magnetic field coil wound around each pipe
  • the magnetic field coil wound around the outer periphery of the second plasma advancing tube is wound elliptically along the inclined axis with respect to the outer periphery of the tube.
  • This is a plasma generation device comprising a magnetic field coil.
  • each of the plasma straight tube, the first plasma traveling tube, the second plasma traveling tube, and the third plasma traveling tube is implanted on the inner wall surface of the tube, and the implanted region is 70% or more of the inner wall area of the tube.
  • the second plasma advancing tube is a diameter expanding tube
  • the first plasma advancing tube is the starting end of the diameter expanding tube on the plasma introduction side.
  • a third plasma progression tube connected to the plasma discharge side end of the expansion tube.
  • the third plasma traveling tube is connected to the third plasma traveling tube from the second plasma traveling tube to the third plasma traveling tube.
  • a plasma generating apparatus provided with a rectifying magnetic field generating means for focusing and rectifying a plasma flow supplied to a plasma advancing tube in a traveling direction and / or a deflection oscillating magnetic field generating means for deflecting and vibrating the plasma flow in a cross-sectional direction thereof.
  • the droplet collecting plate implanted in the second plasma advancing tube is electrically disconnected from the tube wall of the second plasma advancing tube.
  • a plasma generating apparatus provided with a bias voltage applying means for applying a bias voltage to the droplet collecting plate.
  • one or more apertures whose installation positions can be changed along the tube axis direction are disposed in the second plasma advancing tube.
  • the aperture is a plasma generating apparatus having an opening having a predetermined area.
  • a thirteenth aspect of the present invention includes a plasma generation apparatus according to any one of the first to twelfth aspects and a plasma processing unit in which an object to be processed is installed, and a plasma outlet of the third plasma advancing tube is provided.
  • a plasma processing apparatus connected to a plasma inlet of the plasma processing unit.
  • the droplet removing unit disposed in the plasma traveling path includes a plasma straight tube connected to the plasma generating unit, and a first straight tube connected to the plasma straight tube in a bent shape.
  • a plasma generator is provided.
  • the total length L is a length L0 from the target surface to the outlet of the plasma straight tube, a length L1 of the first plasma progression tube, a length L2 of the second plasma progression tube,
  • the plasma transport distance by the plasma traveling path is set to the conventional T-type plasma traveling path or curve.
  • the film formation rate can be improved by shortening compared to the plasma traveling path, and moreover, instead of simply shortening the straight path, the droplets are removed with high efficiency by the above three-stage bending path. It is possible to generate high-purity plasma that can be realized to improve surface treatment accuracy of a film or the like.
  • the second plasma advancing tube is inclined at the bending angle (inclination angle). When the inclination angle is large, the droplets can be blocked, but the plasma density decreases, so the deposition rate on the surface of the object to be processed decreases. To do. On the contrary, when the inclination angle is small, the droplet enters the processing chamber, but since the decrease in plasma density is small, the deposition rate on the surface of the object to be processed does not decrease. Therefore, the inclination angle can be appropriately selected depending on the relationship between the film forming speed and the tolerance of the droplet.
  • the three-stage bending path by the plasma straight tube, the first plasma advancing tube, the second plasma advancing tube, and the third plasma advancing tube may be configured by connecting the tubes on the same plane. Alternatively, it is configured by spatially arranging in three dimensions.
  • the second plasma advancing tube is geometrically arranged at a position where the plasma outlet side of the first plasma advancing tube is not linearly seen through from the plasma outlet of the third plasma advancing tube. Therefore, the droplets derived from the first plasma advancing tube are not directly discharged from the plasma outlet of the third plasma advancing tube, but are formed on the path inner wall in the three-stage bending path process. Since it adheres and is removed by collision, the droplets adhering to the object to be processed can be greatly reduced, and plasma processing with high-purity plasma from which droplets have been removed with high efficiency becomes possible.
  • the outlet of the third plasma advancing tube may be directly connected to an outer wall surface of a plasma processing unit, which will be described later, or may be disposed so as to be immersed into the outer wall surface. Further, while maintaining the positional relationship between the outlet of the third plasma advancing tube and the outer wall surface, a rectifier tube or a deflection tube is provided between the second plasma advancing tube and the third plasma advancing tube as in a tenth embodiment to be described later. A vibration tube can be interposed.
  • the elevation angle from the upper end of the cross section on the plasma inlet side of the third plasma advancing tube to the lower end of the cross section on the plasma outlet side of the first plasma advancing tube is ⁇
  • the second plasma advancing tube can be arranged at a position where the plasma outlet side of the first plasma advancing tube is not seen in a straight line from the plasma outlet.
  • the droplet derived from the first plasma advancing tube is directly connected to the plasma outlet of the third plasma advancing tube. Therefore, it is possible to realize a plasma process using high-purity plasma from which droplets are removed with high efficiency.
  • the outlet of the third plasma advancing tube may be directly connected to an outer wall surface of a plasma processing unit described later, or may be disposed so as to be immersed in the outer wall surface.
  • a rectifying tube or a deflection vibration tube may be interposed between the second plasma advancing tube and the third plasma advancing tube.
  • a plasma transfer magnetic field is generated in each of the straight plasma advance tube, the first plasma advance tube, the second plasma advance tube, and the third plasma advance tube.
  • a deflection magnetic field generated by the deflection magnetic field generation means is provided by providing a magnetic field generation means, and a deflection magnetic field generation means for deflecting the magnetic field for plasma transfer is attached to the first plasma progression tube and / or the second plasma progression tube.
  • the non-uniformity of the plasma transfer magnetic field in the connecting portion of the first plasma progress tube and / or the second plasma progress tube that is, the magnetic field coil for generating the plasma transfer magnetic field.
  • the deflection magnetic field generating means includes a yoke disposed on the outer periphery of the first plasma advancing tube and / or the second plasma advancing tube, and a magnetic field wound around the yoke.
  • the yoke is made of a slide adjustment in the tube axis direction, a rotation adjustment in the circumferential direction, and / or a swing adjustment in the tube axis direction, so that fine adjustment by the deflection magnetic field is performed by moving the yoke.
  • the non-uniformity of the plasma transfer magnetic field can be eliminated, and an optimal plasma traveling path consisting of the geometrical arrangement of the three stages of bending paths can be realized.
  • the plasma transfer magnetic field generating means includes outer circumferences of the plasma straight tube, the first plasma traveling tube, the second plasma traveling tube, and the third plasma traveling tube. Since the magnetic field coil is wound around the three-stage bending path, the plasma transport magnetic field is generated over the entire three-stage bending path to improve the plasma transport efficiency and perform plasma processing using high-density and high-purity plasma. Can do.
  • the magnetic field coil for generating a magnetic field for plasma transfer is provided on the inclined second plasma traveling tube in a circular shape along an inclined axis, the coil is not wound in the vicinity of a connection portion with another tube. An air gap is generated, a non-uniform magnetic field is generated, and the plasma transport efficiency is lowered. Therefore, according to the seventh aspect of the present invention, the magnetic field coil wound around the outer periphery of the second plasma advancing tube has a magnetic field wound elliptically along the tilt axis with respect to the outer periphery of the tube. Since it is made of a coil, the magnetic field coil is tightly wound around the inclined surface of the second plasma advancing tube without generating such a gap, and the plasma transport efficiency is improved without generating a non-uniform magnetic field. Plasma treatment using plasma can be performed.
  • a droplet collecting plate is implanted on each inner wall surface of the plasma straight tube, the first plasma traveling tube, the second plasma traveling tube, and the third plasma traveling tube.
  • the planting area is 70% or more of the inner wall area of the tube, the droplet adhesion surface area in the tube for the plasma advancing path can be increased, and scattered droplets can be adhered and recovered in a large amount and reliably. High purity can be realized.
  • the second plasma advancing tube is an enlarged tube
  • the first plasma advancing tube is an introduction side reduced diameter tube connected to the plasma introduction side start end of the enlarged tube
  • the third plasma advancing tube is a discharge side reduced diameter tube connected to the plasma discharge side end of the expanded diameter tube
  • the plasma flow introduced into the expanded diameter tube from the introduction side reduced diameter tube is expanded in diameter. It is diffused by the diameter expanding action of the plasma traveling path by the tube. Due to the diffusion of the plasma flow, the droplets mixed in the plasma are also diffused into the diameter expansion tube, and thus collide with the inner wall of the diameter expansion tube to be attached and recovered.
  • the droplets scattered on the inner wall surface side of the diameter expansion pipe collide with the step portion due to the diameter reduction action from the diameter expansion pipe to the discharge side diameter reduction pipe. It is possible to prevent the droplets from being mixed again without adhering to and recovering from the plasma flow. Accordingly, the droplets can be sufficiently collected by adhering to the inner wall of the diameter expansion tube, and the droplets can be efficiently used in the first plasma traveling tube, the second plasma traveling tube, and the third plasma traveling tube. Can be removed.
  • a droplet removing portion can be configured simply and inexpensively by simply forming the diameter-expanding tube in the plasma traveling path, and a surface such as film formation using high-purity plasma obtained by improving the droplet removing efficiency.
  • the processing accuracy can be improved, and the surface modification of the surface of the object to be processed and the uniformity of the formed film can be remarkably improved.
  • a plasma rectifier tube is provided at the outlet of the second plasma advancing tube.
  • a rectifying magnetic field generating means for forcibly focusing and rectifying the plasma flow in the traveling direction may be provided on the outer periphery of the plasma rectifying tube.
  • a trumpet-shaped deflection vibration tube is disposed at the outlet of the plasma rectifier tube, a deflection vibration magnetic field generator (ie, a yoke coil) is disposed on the outer periphery of the deflection vibration tube, and a cross section of the deflection vibration tube is provided inside the deflection vibration tube.
  • a deflection oscillating magnetic field that oscillates the plasma flow left and right (or up and down) in the direction can be formed.
  • the plasma irradiation area can be freely increased or decreased when the irradiation area to the non-processed object is larger than the plasma flow cross-sectional area.
  • the plasma rectifier tube and the deflection vibration tube may be combined and may be disposed alone.
  • the droplet collecting plate implanted in the second plasma advancing tube is electrically cut off from the tube wall of the second plasma advancing tube, and the droplet trapping is performed.
  • bias voltage applying means for applying a bias voltage to the current collecting plate is provided, the bias voltage is applied to the droplet collecting plate, so that the attenuation of plasma can be suppressed by adjusting the bias potential.
  • the plasma transfer efficiency can be increased.
  • the applied voltage may be + or-.
  • the application form is suitably selected. In the case of a positive potential, positive ions are repelled and pushed out in the transport direction, and in the case of a negative potential, electrons are repelled and pushed out in the transport direction.
  • +-Which potential is applied is selected so as to increase the plasma transfer efficiency.
  • the magnitude of the potential is also adjusted in various ways, and the potential strength that increases the plasma transfer efficiency is selected.
  • an aperture movable along the tube axis direction is disposed in the second plasma advancing tube, and the aperture has an opening of a predetermined area.
  • the inside of the plasma advancing tube is reduced in diameter to collect droplets, and the installation position can be changed to optimally adjust the collection amount, thereby contributing to the improvement of droplet removal efficiency.
  • the opening is not only provided at the center of the aperture, but can also be provided with a function of causing the plasma flow in the tube to meander by being eccentric.
  • the plasma generating apparatus according to any one of the first to twelfth aspects and a plasma processing unit in which an object to be processed is provided, the plasma in the third plasma advancing tube Since the outlet is connected to the plasma inlet of the plasma processing unit, the high-purity plasma generated by the plasma generator having the plasma traveling path consisting of the three-stage bent path is introduced from the plasma inlet. It is possible to provide a plasma processing apparatus that can irradiate an object to be processed, improve surface treatment accuracy such as film formation, and improve the surface modification of the object to be processed and the uniformity of the formed film. Become. As described above, the plasma outlet of the third plasma advancing tube may be connected to the outer wall surface of the plasma processing unit or may be immersed in the outer wall surface. Street.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a plasma generation apparatus according to a first embodiment of the present invention. It is a schematic block diagram of the plasma processing apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention. It is a figure which shows the arrangement
  • 3 is a configuration diagram showing a rotation adjustment mechanism of a movable yoke 29.
  • FIG. 3 is a configuration diagram showing a slide adjustment and swing adjustment mechanism of a movable yoke 29.
  • FIG. It is a typical block diagram of the magnetic field coil for magnetic field generation for plasma conveyance concerning 2nd Embodiment. It is a partial expanded sectional view of the inner peripheral pipe 61 which concerns on 2nd Embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a plasma generating apparatus according to the present invention.
  • the plasma generating apparatus shown in the figure includes a plasma generating unit A that generates plasma to be supplied to a plasma processing unit (chamber) C and a plasma traveling path.
  • a workpiece (plasma workpiece) W is installed in the plasma processing unit C, and a reactive gas is introduced from the gas inlet 24a as needed by a gas introduction system connected to the chamber and reacted by a gas exhaust system.
  • a gas or plasma flow is exhausted from the exhaust port 25.
  • the plasma generator A has a cathode (target) that generates a plasma by performing a vacuum arc discharge in a vacuum atmosphere.
  • the plasma advancing path consists of a conduit for circulating plasma, and a droplet removing unit that removes droplets by-produced from the cathode is disposed in the plasma advancing path.
  • the droplet removing unit is also a plasma circulation pipe, and is a plasma straight pipe P0 connected to the plasma generating part A, a first plasma advancing pipe P1 connected to the plasma straight pipe P0 in a bent shape, and a first plasma.
  • a second plasma advancing tube P2 connected to the end of the advancing tube P1 so as to be inclined at a predetermined bending angle with respect to the tube axis, and a bent end connected to the end of the second plasma advancing tube P2, from the plasma outlet It comprises a third plasma advancing tube P3 that discharges plasma.
  • the outlet S3 of the third plasma advancing tube P3 extends so as to be immersed in the outer wall surface of the plasma processing unit C. However, as shown in FIG. 2 described later, the outlet S3 is connected to the outer wall surface.
  • the connection type can be freely adjusted, for example, it may be directly connected via a flange (not shown).
  • the plasma rectilinear pipe P0 adheres and removes droplets traveling straight from the plasma generating section A by colliding with the terminal section E facing the plasma generating section A or the inner wall of the pipe.
  • L0 be the plasma travel length from the target position C2 of the plasma generator A to the outlet of the plasma straight tube P0, that is, the connecting point between the plasma straight tube P0 and the first plasma travel tube P1.
  • the first plasma advancing tube P1 is connected in an orthogonal direction at the end side wall of the plasma straight advancing tube P0.
  • L1 be the plasma travel length of the first plasma travel tube P1.
  • the second plasma advancing tube P2 is inclined between the first plasma advancing tube P1 and the third plasma advancing tube P3, and the plasma advancing length is L2.
  • the third plasma advancing tube P3 is arranged in a direction parallel to the first plasma advancing tube P1, and its plasma advancing length is L3.
  • the plasma outlet of the third plasma advancing tube P3 extends to the inside of the plasma processing unit C.
  • the plasma effective distance at which the plasma discharged from the plasma outlet of the third plasma advancing tube P3 reaches the installation position C1 of the object to be processed in the plasma processing unit C is L4.
  • a plasma traveling path bent in three stages is formed by the plasma straight traveling tube P0, the first plasma traveling tube P1, the second plasma traveling tube P2, and the third plasma traveling tube P3.
  • a magnetic field coil (not shown) for generating a plasma transfer magnetic field for transferring the plasma flow P along the pipe is wound around the outer periphery of each plasma advancing tube.
  • Plasma transport magnetic field generating means comprising a magnetic field coil generates a plasma transport magnetic field over the entire three-stage bending path, thereby improving plasma transport efficiency.
  • a droplet removing baffle (not shown) is provided on the inner wall of the tube.
  • the plasma traveling lengths L0 of the first plasma traveling tube P1, the second plasma traveling tube P2, and the third plasma traveling tube P3 between the target surface and the exit surface of the plasma straight traveling tube P0 are set so as to satisfy 900 mm ⁇ L ⁇ 1350 mm.
  • L is 1190 mm as indicated by A3 in FIG.
  • the plasma transport distance by the plasma traveling path can be shortened compared to the conventional T-shaped plasma traveling path or the curved plasma traveling path, and the film formation rate can be improved. Rather than shortening, it is possible to generate droplets with high efficiency by forming the three-stage bending path, and to generate high-purity plasma that can be realized to improve surface treatment accuracy such as film formation. That is, the plasma transport distance is shortened compared to the case of using a plasma traveling path bent in a T shape (A1) and the case of using a curved plasma traveling path (A2), and it is used for a semiconductor substrate or the like. As a good film forming condition, a high film forming rate (about 1.5 nm / sec) can be obtained.
  • the plasma traveling path is constituted by the three-stage bent path, and the pipe arrangement shown in FIG. 1 provides a very good droplet removal effect. Due to this droplet removal effect, when plasma is irradiated for 4 seconds on a substrate (work W) having a width d1 of 2.5 in (inch), a length D2 of 2.5 in (inch), and an arbitrary thickness t The amount of droplets deposited was 10 to less than 100.
  • the second plasma advancing tube P2 is geometrically arranged at a position where the plasma outlet S1 side of the first plasma advancing tube P1 is not seen in a straight line from the plasma outlet S3 of the third plasma advancing tube P3. That is, the elevation angle from the upper end of the cross section on the plasma inlet S2 side of the third plasma advancing pipe P3 to the lower end of the cross section on the plasma outlet S1 side of the first plasma advancing pipe P1 is ⁇ , and the plasma outlet S3 side of the third plasma advancing pipe P3 When the elevation angle from the lower end of the tube cross section to the upper end of the tube cross section on the plasma outlet S2 side of the second plasma advancing tube P2 is ⁇ 0 , ⁇ ⁇ ⁇ 0 is satisfied.
  • the straight droplets derived from the first plasma advancing tube P1 are prevented from directly entering the third plasma advancing tube P3, and the plasma in the third plasma advancing tube P3 is avoided. It can be prevented from being discharged from the outlet S3. Therefore, it becomes possible to cause the droplet to collide with the inner wall of the path in the three-stage bending path process to remove the adhesion, and the adhesion amount of the droplet to the object to be processed can be greatly reduced as described above. Plasma processing with high-purity plasma from which droplets have been removed with high efficiency can be performed.
  • the three-stage bending path is configured to be connected on the same plane, but the same geometrical arrangement as described above can be applied to a pipe structure that is spatially bent in three stages.
  • the straight plasma is not directly discharged from the plasma outlet of the third plasma traveling tube.
  • the second plasma advancing tube P2 may be an expanded tube P4 having a larger inner diameter than the first plasma advancing tube P1 and the third plasma advancing tube P3, as indicated by broken lines. That is, the second plasma advancing tube P2 is an enlarged tube P4, the first plasma advancing tube P1 is an introduction side reduced diameter tube connected to the plasma introduction side starting end of the enlarged tube P4, and the third plasma advancing tube P3 is enlarged. A discharge-side reduced diameter pipe connected to the plasma discharge-side end of the diameter pipe P4 is used. If the expansion pipe P4 is arranged in the middle, the plasma flow introduced into the expansion pipe from the introduction-side reduced diameter pipe is diffused by the expansion action of the plasma traveling path by the expansion pipe P4.
  • the droplets mixed in the plasma are also diffused into the enlarged diameter pipe P4, and collide with the inner wall of the enlarged diameter pipe P4 to be attached and recovered. Further, when the plasma flow in the expanded pipe P4 is discharged, the droplets scattered on the inner wall surface side of the expanded pipe collide with the stepped portion due to the reduced diameter action from the expanded pipe P4 to the discharge-side reduced diameter pipe. It adheres and collects and does not merge with the plasma flow, preventing re-mixing of the droplets.
  • the droplets can be sufficiently collected by adhering to the inner wall of the diameter expansion tube P4, and the droplets are efficiently used in the pipelines of the first plasma progression tube P1, the second plasma progression tube P2, and the third plasma progression tube P3. Can be removed. Also, if the diameter expansion tube P4 and the introduction-side diameter-reduction tube and / or the discharge-side diameter-reduction tube are not aligned with the center axis, the droplets can be easily separated from the plasma flow, and the droplets are collected. The effect is further enhanced.
  • the droplet removing section can be configured simply and inexpensively by simply forming the diameter expansion tube P4 in the plasma traveling path.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a plasma processing apparatus in which a magnetic coil for generating a magnetic field for plasma transfer is installed on the outer periphery of the tube, and a baffle for removing droplets is arranged on the inner wall of the tube.
  • a connection type in which the outlet of the third plasma advancing tube is directly connected to the outer wall surface of the plasma processing unit 1 is employed.
  • the plasma processing apparatus of FIG. 2 includes a plasma processing unit (chamber) 1, a plasma generating unit 2 that generates plasma to be supplied to the plasma processing unit 1, and a plasma generating apparatus that includes a plasma traveling path.
  • the plasma traveling path is composed of a plasma circulation pipe in which a droplet removing unit for removing droplets is arranged.
  • the droplet removing unit includes a plasma straight tube 3 connected to the plasma generating unit 2, a first plasma advancing tube 4 connected to the plasma straight tube 3 in a bent shape, and a terminal of the first plasma advancing tube 4.
  • a second plasma advancing tube 5 connected to be inclined at a predetermined bending angle with respect to the tube axis, and a third plasma connected to the end of the second plasma advancing tube 5 in a bent shape and discharge plasma from the plasma outlet 7. It consists of a progress tube 6.
  • the plasma advancing path composed of the straight plasma advancing tube 3, the first plasma advancing tube 4, the second plasma advancing tube 5 and the third plasma advancing tube 6 is bent and formed in three stages, similar to the plasma advancing path of FIG. .
  • the plasma outlet 7 of the third plasma advancing tube 6 is connected to the plasma inlet of the plasma processing unit 1.
  • the second plasma advancing tube 5 is geometrically arranged in the same manner as in FIG. 1 at a position where the plasma outlet side of the first plasma advancing tube 4 is not seen in a straight line from the plasma outlet 7 of the third plasma advancing tube 6. ing.
  • the elevation angle ( ⁇ ) from the upper end of the cross section on the plasma inlet side of the third plasma advancing tube 6 to the lower end of the cross section on the plasma outlet side of the first plasma advancing tube 4 is indicated by an arrow 8. Furthermore, ⁇ ⁇ ⁇ 0 is satisfied when the elevation angle ( ⁇ 0 ) from the lower end of the cross section of the third plasma advancing tube 6 on the plasma outlet 7 side to the upper end of the cross section of the second plasma advancing tube 5 on the plasma outlet side is satisfied. Yes.
  • the geometrical pipeline arrangement similar to that of FIG. 1 prevents the straight droplets derived from the first plasma advancing tube 4 from directly entering the third plasma advancing tube 6, and the third plasma advancing tube 6 from the plasma outlet 7 can be prevented.
  • the plasma generator 2 includes a cathode (cathode) 10, a trigger electrode 11, an anode (anode) 12, an arc power source 13, a cathode protector 14, and a plasma stabilizing magnetic field generator (electromagnetic coil or magnet) 15.
  • the cathode 10 is a supply source of a plasma constituent material, and the forming material is not particularly limited as long as it is a conductive solid, and a single metal, an alloy, an inorganic simple substance, an inorganic compound (metal oxide / nitride) or the like is used alone. Or 2 or more types can be mixed and used.
  • the cathode protector 14 electrically insulates other than the evaporating cathode surface and prevents the plasma generated between the cathode 10 and the anode 12 from diffusing backward.
  • the material for forming the anode 12 is not particularly limited as long as it does not evaporate even at the plasma temperature and is a non-magnetic material having conductivity.
  • the shape of the anode 12 is not particularly limited as long as it does not block the entire progress of the arc plasma.
  • the plasma stabilizing magnetic field generator 15 is disposed on the outer periphery of the plasma generating unit 2 and stabilizes the plasma. When the arc stabilizing magnetic field generator 15 is arranged so that the magnetic fields applied to the plasma are in opposite directions (cusp shape), the plasma is further stabilized.
  • the film forming rate by the plasma can be further improved.
  • the plasma generating unit 2 and each plasma pipe are electrically insulated by the plasma generating unit side insulating plate 16, and even when a high voltage is applied to the plasma generating unit 2, the front part from the plasma straight tube 3 is electrically connected. In the floating state, the plasma is not electrically influenced in the plasma traveling path.
  • a processing unit side insulating plate (not shown) is also interposed between the third plasma advancing tube 6 and the plasma processing unit 1, and is for plasma transfer from the plasma straight advancing tube 3 to the third plasma advancing tube 6. The entire duct section is set in an electrically floating state so that the plasma being transferred is not affected by an external power source (high voltage or GND).
  • an electric spark is generated between the cathode 10 and the trigger electrode 11, and a vacuum arc is generated between the cathode 10 and the anode 12 to generate plasma.
  • the constituent particles of the plasma include evaporating substances from the cathode 10 and charged particles (ions, electrons) originating from the evaporating substances and the reaction gas, as well as molecules in the pre-plasma state and neutral particles of atoms.
  • droplets of sub-micron to several hundred microns (0.01-1000 ⁇ m) size are emitted.
  • the droplet forms a mixed state with the plasma flow 26 and moves in the plasma traveling path as a droplet mixed plasma.
  • a plasma transfer magnetic field generating means is provided. Plasma transport efficiency can be improved by generating a plasma transfer magnetic field in the entire three-stage bending path.
  • the plasma advancing path is bent in three stages, magnetic field coils 21 and 23 for generating a bending magnetic field are attached to the tube connecting portions of the first plasma advancing tube 4 and the second plasma advancing tube 5, and the bending is performed.
  • the plasma flow is bent and induced by a magnetic field. Since the bending magnetic field coil cannot be evenly wound at the connecting portion of the first plasma traveling tube 4 and the second plasma traveling tube 5, a magnetic field non-uniformity in which the bending magnetic field becomes strong is generated inside the bending portion.
  • the first plasma traveling tube 4 and the second plasma traveling tube 5 are provided with deflection magnetic field generating means 22 and 24, respectively.
  • the deflection magnetic field generation means 22 and 24 are composed of a deflection magnetic field generation coil 30 and a movable yoke 29.
  • FIG. 3 shows a state in which the movable yoke 29 is disposed on the outer periphery of the second plasma advancing tube 5.
  • the movable yoke 29 is wound with a deflection magnetic field generating coil 30 and has a pair of magnetic poles 27 and 28.
  • a deflection magnetic field is generated between the magnetic poles 27 and 28 and applied to the plasma in the second plasma advancing tube 5.
  • the deflection magnetic field generation means 22 and 24 include an adjustment mechanism that adjusts the movable yoke 29 by slide adjustment in the tube axis direction, rotation adjustment in the circumferential direction, and swing adjustment in the tube axis direction.
  • FIG. 4 shows a rotation adjusting mechanism for the movable yoke 29 arranged on the outer periphery of the first plasma advancing tube 4.
  • the rotation adjusting mechanism includes a guide body 31 provided with four arcuate guide grooves 32 for rotating and adjusting the movable yoke 29 in the circumferential direction.
  • a pin 33 provided on the movable yoke 29 is inserted into the guide groove 32, and the movable yoke 29 can be rotationally adjusted within an angle adjustment range ⁇ 1 of 90 degrees or less by sliding the pin 33 in the pipe circumferential direction. . After the adjustment, the adjustment angle can be maintained by fastening the pin 33 to the guide body 31 with the fastening nut 34.
  • FIG. 5 shows an adjustment mechanism for adjusting the sliding movement of the movable yoke 29 arranged on the outer periphery of the second plasma traveling tube 5 in the tube axis direction and swinging in the tube axis direction.
  • the guide body 31 is supported by the slide member 35 in a state where the movable yoke 29 is fixedly held via the spacer 36.
  • the slide member 35 has a linear slide groove 38 along the tube axis direction of the second plasma advancing tube 5, and is fixed to the adjustment unit main body 37.
  • the slide groove 38 is formed in parallel to the inclined center line of the second plasma advancing tube 5.
  • the slide groove installed in the first plasma advancing tube 4 is formed horizontally along the center line of the first plasma advancing tube 4.
  • a pin 39 provided on the guide body 31 is inserted into the guide groove 38.
  • the movable yoke 29 of the guide body 31 is slid and adjusted substantially over the tube length of the second plasma advancing tube. Can do.
  • the adjustment position can be maintained by fastening the pin 39 to the slide member 35 with the fastening nut 40.
  • the guide body 31 is supported by the slide member 35 so as to be rotatable around the axis of the pin 39 in a state where the movable yoke 29 is fixedly held.
  • the movable yoke 29 can be adjusted to swing (tilt angle adjustment) in the tube axis direction.
  • the adjustment tilt angle can be maintained by fastening the pin 39 to the slide member 35 with the fastening nut 40.
  • the adjustable tilt angle is 5 ° on the first plasma advancing tube 4 side and 30 ° on the opposite side.
  • the deflection magnetic field generating means 22 and 24 enable the movable yoke 29 to be slide adjusted in the tube axis direction, rotated in the circumferential direction, and swing adjusted in the tube axis direction, so that the position or angle of the movable yoke 29 is adjusted. Makes it possible to make fine adjustment by the deflection magnetic field to eliminate the nonuniformity of the magnetic field for plasma transfer, and to realize an optimal plasma traveling path consisting of the geometrical arrangement of the three stages of bending paths. .
  • FIG. 6 (6A) schematically shows a state 19A in which the magnetic field coil for generating a magnetic field for plasma transfer is wound around the second plasma advancing tube 5 arranged in an inclined manner in a circular shape M1 along the inclination axis.
  • a gap where the coil is not wound is formed in the vicinity of the connecting portion with another tube (4 or 6), and a non-uniform magnetic field is generated, resulting in a decrease in plasma transport efficiency.
  • the magnetic field coil 19 wound around the outer periphery of the second plasma advancing tube 5 is composed of a magnetic field coil wound elliptically along the tilt axis with respect to the outer periphery of the tube.
  • (6B) of FIG. 6 schematically shows a state 19B in which the magnetic field coil 19 for generating a magnetic field for carrying a plasma is wound around the second plasma advancing tube 5 arranged in an inclination in an elliptical shape M2 along the inclination axis. Since the magnetic field coil 19 wound in the elliptical shape M2 is installed in the second plasma advancing tube 5, a gap like the hatched area in (6A) does not occur. By winding a magnetic field coil, plasma transport efficiency can be improved without generating a non-uniform magnetic field, and plasma processing using high-density and high-purity plasma can be made possible.
  • droplet collecting plates (baffles) 41, 42, 43 and 44 are planted. The structure of each collecting plate will be described in detail below.
  • FIG. 7 is a partially enlarged cross-sectional view of the inner peripheral pipe 61 having the droplet collecting plate 60.
  • the inner peripheral pipe 61 is accommodated in each plasma pipe (3 to 6), and a plurality of droplet collecting plates 60 are planted on the inner wall thereof.
  • an opening 62 for plasma circulation is formed at the center of the droplet collecting plate 60.
  • the plasma flows in from the upper side of the figure and passes through the opening 62.
  • the inclination angle ⁇ of the droplet collecting plate 60 is set in the range of 15 to 90 °, it is experientially 30 to 60 °, and in this embodiment ⁇ is set to 60 °. At this inclination angle, the droplets separated from the plasma flow can be reliably attached and recovered while being subjected to multiple reflection on the droplet collecting plate 60.
  • the droplet collection surface area in the inner peripheral pipe 61 is increased by the plurality of droplet collecting plates 60, and the scattered droplets can be adhered and collected in a large amount with certainty.
  • the number of droplet collecting plates 60 is limited by the restriction of the tube length of the inner peripheral tube 61. Therefore, in order to increase the droplet removal area, the surface of the droplet collecting plate 60 is increased. It is preferable to perform roughening to form a rough surface having innumerable irregularities. That is, by roughening the surface of the droplet collection plate 60, the collection area of the droplet collection plate 60 is increased, and the collection efficiency can be improved.
  • the droplet which collided with the recessed part is firmly fixed by the recessed part, and the droplet collecting efficiency is remarkably increased.
  • line processing or satin processing can be used.
  • line processing method for example, a polishing process using polishing paper is used.
  • satin processing method for example, blasting using alumina, shots, grids, glass beads, or the like is used, and in particular, microblast processing in which several micron particles are accelerated by compressed air or the like and nozzle sprayed is used. Fine irregularities can be applied to the narrow surface.
  • the planting area of the droplet collecting plate 60 is preferably 70% or more of the pipe inner wall area. In the case of FIG. 2, the planting area is about 90% of the inner wall area of the tube, and the droplet adhesion surface area in the tube for the plasma advancing path is increased so that a large amount of scattered droplets can be adhered and recovered reliably. Therefore, it is possible to achieve high purity of the plasma flow.
  • the droplet collecting plate 60 is electrically cut off from the wall of each plasma traveling tube.
  • a bias power source 63 as a bias voltage applying unit is connected to the inner peripheral tube 61, and the inner peripheral tube 61 can be set to a positive potential or a negative potential.
  • the bias potential of the inner peripheral tube 61 is a positive potential, there is an effect of pushing out positive ions in the plasma in the transport direction, and in the case of a negative potential, there is an effect of pushing out electrons in the plasma in the transport direction.
  • which of + and-is selected is selected in a direction that does not decrease the plasma transfer efficiency, and is determined by the state of the plasma.
  • the potential intensity is also variable, and it is usually selected from the viewpoint of conveyance efficiency to set the inner peripheral tube 61 to + 15V.
  • One or more apertures 70 that are movable along the tube axis direction may be disposed in the second plasma advancing tube 5.
  • the aperture 70 has a structure in which the installation position can be changed along the tube axis direction in the second plasma advancing tube 5, and may have a structure that can move back and forth or a structure that can move only in one direction. . Since it is movable, the installation position of the aperture can be adjusted, and it can be taken out and washed.
  • the aperture 70 has an opening of a predetermined area in the center, and the droplet is collided and captured by the wall surface around the opening, and the plasma passing through the opening advances.
  • the opening may be provided in the center or may be designed in various ways, such as being provided at an eccentric position. Therefore, if a plurality of apertures 70 are movably installed in the second plasma advancing tube 5, the droplet removal efficiency increases and the plasma purity can be improved. In the following, a one-way moving aperture using a leaf spring is shown.
  • FIG. 8 (8A) is a plan view of the movable aperture 70
  • FIG. 8 (8B) shows a state in which the aperture 70 is attached.
  • the aperture 70 has a ring shape having an opening 71 having a predetermined area in the center.
  • the shape of the opening can be variously designed such as a circle or an ellipse according to the arrangement form.
  • Stoppers 72 made of elastic pieces (for example, leaf springs) projecting outward are fixed to the three positions of the aperture 70 surface by screws 73, but a fixing method such as welding can be arbitrarily adopted.
  • the protruding portion 74 of the elastic piece is bent downward. As shown in (8B) of FIG.
  • a locking recess 76 for holding the aperture 70 is previously formed in a circular shape on the inner wall of the tube 75 of the second plasma advancing tube 5.
  • a plurality of locking recesses 76 are provided along the longitudinal direction of the tube 75.
  • the stopper 72 cannot be reversed and the aperture 70 can be set at the locked position.
  • the stopper 72 is unlocked, and the protruding portion 74 can be reinserted and locked in the next locking recess 76.
  • the aperture 70 has a structure that can move to an arbitrary set position in the second plasma advancing tube 5, the aperture 70 reduces the diameter of the second plasma advancing tube 5 to collect droplets, and further sets the set position. The amount of collection can be adjusted optimally by changing as appropriate, which contributes to improved droplet removal efficiency.
  • the number of sets of apertures 70 is 1 or 2 or more.
  • the opening 71 is not only provided at the center of the aperture 70, but can also be provided with a function of causing the plasma flow in the tube to meander by being eccentric.
  • a ring-shaped aperture may be provided at a connecting portion in the plasma traveling path including the plasma straight traveling tube 3, the first plasma traveling tube 4, the second plasma traveling tube 5, and the third plasma traveling tube 6. Similar to the aperture 70, the arrangement of the apertures for the connecting portion reduces the diameter of the plasma traveling path or decenters it, or reduces or decenters it to collect more droplets contained in the plasma flow. Removal efficiency can be improved.
  • the final stage third plasma advancing tube 6 has a uniform tube diameter, but the plasma flow discharged from the second plasma advancing tube 5 through a bent path. Is preferably further densified in the third plasma advancing tube 6.
  • An embodiment in which the third plasma advancing tube 6 is further provided with a higher density function will be described below.
  • FIG. 9 shows a schematic configuration of a plasma processing apparatus according to the third embodiment.
  • the plasma processing apparatus of FIG. 9 includes a plasma generation unit (not shown) that generates plasma to be supplied to the plasma processing unit 1 and a plasma generation apparatus that includes a plasma traveling path, as in FIG.
  • the droplet removing portion provided in the plasma traveling path includes a plasma straight tube 1100 connected to the plasma generating portion and a first plasma connected to the plasma straight tube 1100 in a bent shape through a connection port 1104.
  • Advancing tube 1101 a second plasma advancing tube 1102 connected to the end of first plasma advancing tube 1101 at a predetermined bending angle with respect to the tube axis, and a bent to the end of second plasma advancing tube 1102 And a third plasma advancing tube 1103 that discharges plasma from the plasma outlet 1106.
  • a droplet collecting plate and a plasma transfer magnetic field forming magnetic field coil are disposed in the plasma traveling path.
  • the plasma advancing path composed of the straight plasma traveling tube 1100, the first plasma advancing tube 1101, the second plasma advancing tube 1102 and the third plasma advancing tube 1103 is bent and formed in three stages, similar to the plasma advancing path of FIGS. Has been.
  • the third plasma advancing tube 1103 includes a rectifying tube 1107 connected to the end of the second plasma advancing tube 1102, a frustoconical tube 1108 serving as a deflection vibration tube connected to the rectifying tube 1107, and an outlet tube 1109.
  • the frustoconical tube (deflection vibration tube) 1108 is expanded in diameter toward the outlet tube 1109 side.
  • a plasma outlet 1110 of the outlet pipe 1109 is connected to a plasma inlet of the plasma processing unit 1.
  • the outlet pipe 1109 has a uniform pipe diameter.
  • the plasma advancing lengths L1 to L3 of the first plasma advancing tube 1101, the second plasma advancing tube 1102, and the third plasma advancing tube 1103 are the same as the respective plasma advancing tubes in FIG. It is set similarly.
  • the second plasma advancing tube 1102 is geometrically arranged in the same manner as in FIGS. 1 and 2 at a position where the plasma outlet 1110 of the outlet tube 1109 does not see through the plasma outlet 1105 side of the first plasma advancing tube 1101 linearly. Has been.
  • the elevation angle ( ⁇ ) from the upper end of the cross section on the plasma inlet side of the rectifying tube 1107 to the lower end of the cross section on the plasma outlet 1105 side of the first plasma advancing tube 1101 is
  • ⁇ ⁇ ⁇ 0 is satisfied as in FIG. Has been. 1 and 2 avoids the straight droplets derived from the first plasma advancing tube 1101 from directly entering the third plasma advancing tube 1103, so that the third It is possible to prevent discharge from the plasma outlet 1110 of the plasma advancing tube 1103.
  • the plasma flow meanders and diffuses at the end of the inclined second plasma traveling tube 1102 connected to the third plasma traveling tube 1103, and the plasma traveling efficiency toward the third plasma traveling tube 1103 decreases.
  • a rectifying magnetic field coil 1114 is provided in the rectifying tube 1107 connected to the second plasma advancing tube, and the flow of plasma supplied from the second plasma advancing tube 1102 to the rectifying tube 1107 is forcibly focused.
  • a rectifying magnetic field to be rectified is generated in the tube. With this rectifying magnetic field, the plasma flowing in the second plasma advancing tube 1102 can be drawn out in a focused manner toward the third plasma advancing tube 1103, and high-density and high-purity plasma can be generated.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram of the magnetic field for scanning formed in the truncated cone tube (deflection vibration tube) 1108 (shown in FIG. 9) according to the third embodiment.
  • a cone connected to a rectifying tube 1107 is used to oscillate a plasma flow focused and rectified by a rectifying magnetic field action left and right and up and down to scan the plasma flow like a CRT display.
  • a trapezoidal tube (deflection vibration tube) 1108 is provided with a scanning magnetic field coil 1113.
  • the scanning magnetic field coil 1113 includes a set of X-direction oscillating magnetic field generators 108a and 108a and a set of Y-directional oscillating magnetic field generators 108b and 108b.
  • the scanning magnetic field B R (t) is a combined magnetic field of the X-direction oscillating magnetic field B X (t) and the Y-direction oscillating magnetic field B Y (t).
  • the plasma flow is scanned up and down by the Y-direction oscillating magnetic field while the plasma flow is swung left and right by the X-direction oscillating magnetic field, and this is repeated to enable the plasma processing unit 1 to irradiate a large area plasma.
  • the cross-sectional area of the plasma flow is smaller than the cross-sectional area of the workpiece disposed in the plasma processing chamber 1, the plasma flow is scanned up, down, left, and right to enable plasma irradiation on the entire surface of the workpiece.
  • the same principle is used as when an electron beam of a CRT display moves up and down while vibrating left and right, and this operation is repeated to emit light on the entire display screen.
  • the plasma generating apparatus can be provided with a droplet removing unit in the plasma traveling path, and a high-purity and uniform plasma flow can be introduced into the plasma processing unit.
  • a high-purity plasma generated by the plasma generation apparatus according to the present invention is used, a high-purity thin film with significantly fewer defects and impurities is formed on the surface of the solid material in the plasma, or plasma is irradiated.
  • the surface properties of solids can be uniformly modified without imparting defects or impurities.For example, high-strength / corrosion-resistant films on solid surfaces, protective films, optical thin films, transparent conductive films, etc.
  • a plasma processing apparatus which can be formed with high quality and high accuracy can be provided.

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Abstract

　本発明の目的は、プラズマに混入するドロップレットをより効率的に除去でき、高純度プラズマによる成膜等の表面処理精度の向上を図ることのできるプラズマ生成装置及びそれを用いたプラズマ処理装置を提供することである。 　本発明において、プラズマ進行路に設けたドロップレット除去部は、プラズマ発生部Ａに連接されたプラズマ直進管Ｐ０と、プラズマ直進管Ｐ０に屈曲状に連接された第1プラズマ進行管Ｐ１と、第1プラズマ進行管Ｐ１の終端に、その管軸に対して所定屈曲角で傾斜配置させて連接された第２プラズマ進行管Ｐ２と、第２プラズマ進行管Ｐ２の終端に屈曲状に連接され、プラズマ出口よりプラズマを排出する第３プラズマ進行管Ｐ３とから構成されている。

Description

プラズマ生成装置及びプラズマ処理装置
　本発明は、真空雰囲気下に設定されたアーク放電部で真空アーク放電を行ってターゲット表面からプラズマを発生させ、プラズマの発生時に陰極から副生する陰極材料粒子（以下、「ドロップレット」という）を除去するドロップレット除去部を備えたプラズマ生成装置、及びそのプラズマ生成装置による生成プラズマを用いてプラズマ処理を行うプラズマ処理装置に関する。
　一般に、プラズマ中で固体材料の表面に薄膜を形成したり、イオンを注入することにより、固体の表面特性が改善されることが知られている。金属イオンや非金属イオンを含むプラズマを利用して形成した膜は、固体表面の耐磨耗性・耐食性を強化し、保護膜、光学薄膜、透明導電性膜などとして有用なものである。特に、カーボンプラズマを利用した炭素膜はダイヤモンド構造とグラファイト構造のアモルファス混晶からなるダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜という）として利用価値が高い。
　金属イオンや非金属イオンを含むプラズマを発生する方法として、真空アークプラズマ法がある。真空アークプラズマは、陰極と陽極の間に生起するアーク放電で形成され、陰極表面上に存在する陰極点から陰極材料が蒸発し、この陰極蒸発物質により形成されるプラズマである。また、雰囲気ガスとして反応性ガスを導入した場合には、反応性ガスも同時にイオン化される。前記反応性ガスと共に不活性ガス（希ガスという）を導入しても良いし、また前記反応性ガスに代えて前記不活性ガスを導入することもできる。このようなプラズマを用いて、固体表面への薄膜形成やイオンの注入を行って表面処理を行うことができる。
　一般に、真空アーク放電では、陰極点から陰極材料イオン、電子、陰極材料中性粒子（原子及び分子）といった真空アークプラズマ構成粒子が放出されると同時に、サブミクロン以下から数百ミクロン（０．０１～１０００μｍ）の大きさのドロップレットと称される陰極材料微粒子も放出される。しかし、成膜等の表面処理において問題となるのはドロップレットの発生である。このドロップレットが被処理物表面に付着すると、被処理物表面に形成される薄膜の均一性が失われ、薄膜の欠陥品となる。
　ドロップレットの問題を解決する一方法として、磁気フィルタ法（P.J. Martin, R.P. Netterfield and T.J. Kinder, Thin Solid Films 193/194 (1990)77）（非特許文献１）がある。この磁気フィルタ法は、真空アークプラズマを湾曲したドロップレット捕集ダクトを通して処理部に輸送するものである。この方法によれば、発生したドロップレットは、ダクト内周壁に付着捕獲（捕集）され、ダクト出口ではドロップレットをほとんど含まないプラズマ流が得られる。また、ダクトに沿って配置された磁石により湾曲磁場を形成し、この湾曲磁場によりプラズマ流を屈曲させ、プラズマを効率的にプラズマ加工部に誘導するように構成されている。
　特開２００２－８８９３号公報（特許文献１）にはドロップレット捕集部を有するプラズマ加工装置が開示されている。図１２は、従来のプラズマ加工装置の構成概略図である。プラズマ発生部１０２では、陰極１０４とトリガ電極１０６の間に電気スパークを生起し、陰極１０４と陽極１０８の間に真空アークを発生させてプラズマ１０９が生成される。プラズマ発生部１０２には、電気スパーク及び真空アーク放電を発生するための電源１１０が接続され、プラズマ１０９を安定化させるプラズマ安定化磁場発生器１１６ａ、１１６ｂが配設されている。プラズマ１０９はプラズマ発生部１０２からプラズマ加工部１１２に誘導され、プラズマ加工部１１２に配置された被処理物１１４が前記プラズマ１０９により表面処理される。また、プラズマ加工部１１２に接続されるガス導入システムＧｔにより必要に応じて反応性ガスが導入され、ガス排気システムＧｈにより反応ガスやプラズマ流が排気される。
　プラズマ発生部１０２から放出されるプラズマ１０９は、磁場によりプラズマ発生部１０２と対面しない方向にＴ字状に屈曲され、プラズマ加工部１１２に流入される。プラズマ発生部１０２と対面する位置には、プラズマ１０９の発生時に陰極から副生される陰極材料微粒子（ドロップレット）１１８が捕集されるドロップレット捕集部１２０が配設されている。従って、磁場の影響を受けないドロップレット１１８がドロップレット捕集部１２０に進行して捕集され、ドロップレット１１８がプラズマ加工部１１２内に進入することが防止される。具体的なドロップレット捕集手段として、例えば、特開２００２－１０５６２８号公報（特許文献２）には、プラズマダクト内壁に設けたバッフルにより、プラズマ加工部に到達しないドロップレットを付着、捕集することが開示されている。
特開２００２－８８９３号公報 特開２００２－１０５６２８号公報 P.J. Martin, R.P. Netterfield and T.J. Kinder, Thin Solid Films　193/194 (1990)77
　図１２に示した、従来のプラズマ加工装置では、前記磁場の影響を受けないドロップレット１１８がドロップレット捕集部１２０に捕集されるが、プラズマ１０９との相互作用などにより電荷が付与された帯電ドロップレットが磁場によりプラズマ加工部１１２に誘導される場合があった。更に、ドロップレット捕集部１２０に捕集されない、粒径の小さなドロップレットが壁面を反射しながらプラズマ加工部１１２に誘導される場合があった。このように、ドロップレットがプラズマ加工部１１２に入射すると、ドロップレットが被処理物表面に付着するため、被処理物表面に対する薄膜形成や表面改質の均一性が失われ、被処理物の表面特性を低下させるといった問題を生じていた。
　また、非特許文献１に記載の磁気フィルタ法においても、前述のように、湾曲磁場によりプラズマ流を屈曲させ、プラズマを効率的にプラズマ加工部に移動させるものであるから、プラズマ流に混入する帯電ドロップレットや微小なドロップレットが除去されずにプラズマ加工部に誘導され、被処理物表面に衝突又は付着することを防止できなかった。
　最近のプラズマ成膜技術においては、種々の材料を用いた成膜が行われているが、成膜装置による平滑性等の成膜精度の向上が求められている。上述のように、ドロップレット付着が成膜精度に強く影響することから、プラズマ生成装置におけるドロップレット除去効率の向上が必要とされている。
　従って、本発明の目的は、プラズマ生成装置において生成されるプラズマに混入するドロップレットをより効率的に除去でき、高純度プラズマによる成膜等の表面処理精度の向上を図ることのできるプラズマ生成装置及びそのプラズマ生成装置による生成プラズマを用いてプラズマ処理を行うプラズマ処理装置を提供することである。
　本発明者は、上記課題を解決するために、プラズマの発生時に陰極から副生するドロップレットを除去するドロップレット除去部をプラズマ進行路に配置するうえで、プラズマ進行路の形態とプラズマ処理条件（成膜レート）の関係を検証した。この検証実験では１枚の基板に対してプラズマ照射を４秒間行った成膜処理における成膜レート（ｎｍ／ｓｅｃ）を求めた。幅ｄ１が２．５ｉｎ（インチ）、長さＤ２が２．５ｉｎ（インチ）、任意厚さtのサイズの基板を使用した。図１１は、成膜レートに対するプラズマ輸送距離の関係を示す。この明細書を通じて、プラズマ輸送距離とは、プラズマ発生部（ターゲット面）から放出されるプラズマがプラズマ加工部内の被処理物（基板）に到達するまでの合計距離で定義される。
　図１１のＡ１、Ａ２はそれぞれ、図１２により示したＴ字状に屈曲させたプラズマ進行路による場合、非特許文献１により示した湾曲させたプラズマ進行路を用いた場合を示し、各プラズマ輸送距離は１４４０ｍｍ、１３８０ｍｍである。Ａ１のＴ字型プラズマ進行路における成膜レートは約０．３ｎｍ／ｓｅｃであり、Ａ２のおける湾曲プラズマ進行路における成膜レートは約０．６ｎｍ／ｓｅｃである。上記の検証からプラズマ輸送距離が成膜レートに影響していることがわかる。ここで、１ｎｍ／ｓｅｃ＝１０Ａ／ｓｅｃの換算式を用いて図１１は理解される。
　半導体基板等に使用される、通常の成膜条件としては約０．８ｎｍ／ｓｅｃを超える成膜レートが必要である。ドロップレットの付着量も、上記の２．５ｉｎ（インチ）×２．５ｉｎ（インチ）サイズの基板においては５０個以下が好ましいが、上記の検証の場合には約１０００個のドロップレットが付着していた。プラズマ輸送距離が成膜レートに影響していることを考慮すると、プラズマ進行路によるプラズマ輸送距離を短縮すれば成膜レートを改善できることになるが、単に直進経路を短縮化するだけでは、それに伴ってドロップレットの侵入量が増加してしまうことがわかった。
　上記検証結果を鋭意検討して、本発明者は、プラズマ進行路途中に傾斜型プラズマ進行路を形成して、プラズマ進行路を３段階に屈曲形成することにより、プラズマ進行路全体を短縮しても、ドロップレットの侵入をより効率的に防いで、好適な成膜レートによるプラズマ処理を行えることの知見を得るに至った。
　本発明の第１の形態は、真空雰囲気下で真空アーク放電を行ってターゲット面からプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部により発生されたプラズマを進行させるプラズマ進行路とを有し、前記プラズマ進行路にドロップレットを除去するドロップレット除去部を配置し、このドロップレット除去部は、前記プラズマ発生部に連接されたプラズマ直進管と、前記プラズマ直進管に屈曲状に連接された第1プラズマ進行管と、前記第1プラズマ進行管の終端に、その管軸に対して所定屈曲角で傾斜配置させて連接された第２プラズマ進行管と、前記第２プラズマ進行管の終端に屈曲状に連接され、プラズマ出口よりプラズマを排出する第３プラズマ進行管とから構成され、前記プラズマが前記ターゲット表面から被処理物に到達するまでの合計長さＬが、９００ｍｍ≦Ｌ≦１３５０ｍｍを満たすように設定されたプラズマ生成装置である。
　本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口から前記第1プラズマ進行管のプラズマ出口側を直線状に透視させない位置に、前記第２プラズマ進行管が幾何学的に配置されたプラズマ生成装置である。
　本発明の第３の形態は、前記第２の形態において、前記第３プラズマ進行管のプラズマ入口側の管断面上端から前記第1プラズマ進行管のプラズマ出口側の管断面下端に対する仰角をθとし、前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口側の管断面下端から前記第２プラズマ進行管のプラズマ出口側の管断面上端に対する仰角をθ０としたとき、θ≧θ０が満足されるプラズマ生成装置である。
　本発明の第４の形態は、前記第1、第２又は第３の形態において、前記プラズマ直進管、前記第1プラズマ進行管、前記第２プラズマ進行管及び前記第３プラズマ進行管のそれぞれに、プラズマ搬送用磁場を発生するプラズマ搬送用磁場発生手段を設け、前記第1プラズマ進行管及び／又は前記第２プラズマ進行管に、前記プラズマ搬送用磁場を偏向させる偏向磁場発生手段を付設し、前記偏向磁場発生手段により発生される偏向磁場によりプラズマ流を管中心側に偏向させるプラズマ生成装置である。
　本発明の第５の形態は、前記第４の形態において、前記偏向磁場発生手段は、前記第1プラズマ進行管及び／又は前記第２プラズマ進行管の外周に配置されたヨークと、そのヨークに巻回された磁場コイルとからなり、前記ヨークは、管軸方向にスライド調整、周方向に回動調整、及び／又は管軸方向に揺動調整されるプラズマ生成装置である。
　本発明の第６の形態は、前記第４の形態において、前記プラズマ搬送用磁場発生手段は、前記プラズマ直進管、前記第1プラズマ進行管、前記第２プラズマ進行管及び前記第３プラズマ進行管のそれぞれの管外周に巻回された磁場コイルからなるプラズマ生成装置である。
　本発明の第７の形態は、前記第６の形態において、前記第２プラズマ進行管の管外周に巻回された磁場コイルは、その管外周に対して傾斜軸に沿って楕円状に巻回された磁場コイルからなるプラズマ生成装置である。
　本発明の第８の形態は、前記第1～第７のいずれかの形態において、前記プラズマ直進管、前記第1プラズマ進行管、前記第２プラズマ進行管及び前記第３プラズマ進行管のそれぞれの管内壁面にドロップレット捕集板が植設され、前記植設領域が管内壁面積の７０％以上であるプラズマ生成装置である。
　本発明の第９の形態は、前記第1～第８のいずれかの形態において、前記第２プラズマ進行管を拡径管とし、前記第１プラズマ進行管を前記拡径管のプラズマ導入側始端に連接された導入側縮径管とし、前記第３プラズマ進行管を前記拡径管のプラズマ排出側終端に連接された排出側縮径管とするプラズマ生成装置である。
　本発明の第１０の形態は、前記第１～第９のいずれかの形態において、前記第２プラズマ進行管と前記第３プラズマ進行管の連接部に、前記第２プラズマ進行管から前記第３プラズマ進行管に供給されるプラズマ流を進行方向に集束整流する整流磁場発生手段、及び／又は前記プラズマ流をその断面方向に偏向振動させる偏向振動磁場発生手段が設けられたプラズマ生成装置である。
　本発明の第１１の形態は、前記第８の形態において、前記第２プラズマ進行管内に植設されたドロップレット捕集板は前記第２プラズマ進行管の管壁と電気的に遮断されており、前記ドロップレット捕集板にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段が設けられたプラズマ生成装置である。
　本発明の第１２の形態は、前記第１～第１１のいずれかの形態において、前記第２プラズマ進行管内に、管軸方向に沿って設置位置が変更可能な1個以上のアパーチャーを配設し、前記アパーチャーは所定面積の開口部を有するプラズマ生成装置である。
　本発明の第１３の形態は、前記第１～第１２のいずれかの形態に係るプラズマ生成装置と、被処理物を設置したプラズマ処理部とを備え、前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口を、前記プラズマ処理部のプラズマ導入口に接続したプラズマ処理装置である。
　本発明の第１の形態によれば、前記プラズマ進行路に配置したドロップレット除去部は、前記プラズマ発生部に連接されたプラズマ直進管と、前記プラズマ直進管に屈曲状に連接された第1プラズマ進行管と、前記第1プラズマ進行管の終端に、その管軸に対して所定屈曲角で傾斜配置させて連接された第２プラズマ進行管と、前記第２プラズマ進行管の終端に屈曲状に連接され、プラズマ出口よりプラズマを排出する第３プラズマ進行管とから３段階に屈曲構成され、ターゲット面から被処理物までの合計長さＬが、９００ｍｍ≦Ｌ≦１３５０ｍｍを満たすように設定されたプラズマ生成装置が提供される。更に詳細には、前記合計長さＬは、ターゲット面から前記プラズマ直進管の出口までの長さＬ０、前記第1プラズマ進行管の長さＬ１、前記第２プラズマ進行管の長さＬ２、前記第３プラズマ進行管の長さＬ３、及び前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口からプラズマが被処理物に到達するまでの有効距離Ｌ４を加えた合計長さ、即ちＬ＝Ｌ０＋Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４により定義され、図１にその詳細が示されている。このように、前記合計長さＬが、９００ｍｍ≦Ｌ≦１３５０ｍｍを満たすように設定されるので、図１１に示すように、プラズマ進行路によるプラズマ輸送距離を、従来のＴ型プラズマ進行路や湾曲プラズマ進行路よりも短縮して成膜レートを向上させることができ、しかも、単に直進経路を短縮化するのではなく、前記３段階の屈曲経路化により高効率にドロップレットを除去して、成膜等の表面処理精度の向上に実現できる高純度プラズマを生成することができる。
　前記第２プラズマ進行管は前記屈曲角（傾斜角）で傾斜しており、傾斜角が大きい場合はドロップレットは遮断できるが、プラズマ密度が低下するため被処理物表面への成膜速度は低下する。逆に、傾斜角が小さい場合にはドロップレットは処理室内に進入するが、プラズマ密度の低下が小さいため被処理物表面への成膜速度は低下しない。従って、成膜速度とドロップレットの許容度との関係で前記傾斜角を適宜選択することができる。
　本発明における前記プラズマ直進管、前記第1プラズマ進行管、前記第２プラズマ進行管及び前記第３プラズマ進行管による前記３段階の屈曲経路は、各管を同一平面上に連結して構成されたり、あるいは空間的に３次元配置して構成される。
　本発明の第２の形態によれば、前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口から前記第1プラズマ進行管のプラズマ出口側を直線状に透視させない位置に、前記第２プラズマ進行管が幾何学的に配置されているので、前記第1プラズマ進行管から導出されるドロップレットが直接的に前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口から排出されずに、前記前記３段階の屈曲経路過程において経路内壁に衝突して付着除去されてしまうので、被処理物に付着するドロップレットを大幅に低減でき、高効率にドロップレットが除去された高純度プラズマによるプラズマ処理が可能になる。
　前記第３プラズマ進行管の出口は、後述するプラズマ処理部の外壁面に直接連結されても良いし、前記外壁面の内部まで没入させて配置しても良い。更には、前記第３プラズマ進行管の出口と前記外壁面の位置関係を保持しながら、後述する第１０形態のように、第２プラズマ進行管と第３プラズマ進行管の間に整流管や偏向振動管を介在させることもできる。
　本発明の第３の形態によれば、前記第３プラズマ進行管のプラズマ入口側の管断面上端から前記第1プラズマ進行管のプラズマ出口側の管断面下端に対する仰角をθとし、前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口側の管断面下端から前記第２プラズマ進行管のプラズマ出口側の管断面上端に対する仰角をθ０としたとき、θ≧θ０が満足されるので、前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口から前記第1プラズマ進行管のプラズマ出口側を直線状に透視させない位置に、前記第２プラズマ進行管を配置することができる。従って、例えば、前記３段階の屈曲経路を同一平面上に連結して構成する場合などにおいては、前記第1プラズマ進行管から導出されるドロップレットが直接的に前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口から排出されない管路構成を実現でき、高効率にドロップレットが除去された高純度プラズマを用いたプラズマ処理を行うことができる。
　前述したように、前記第３プラズマ進行管の出口は、後述するプラズマ処理部の外壁面に直接連結されても良いし、前記外壁面の内部まで没入させて配置しても良いことは云うまでもない。また、第２プラズマ進行管と第３プラズマ進行管の間に整流管や偏向振動管を介在させても良いことは云うまでもない。
　本発明の第４の形態によれば、前記プラズマ直進管、前記第1プラズマ進行管、前記第２プラズマ進行管及び前記第３プラズマ進行管のそれぞれに、プラズマ搬送用磁場を発生するプラズマ搬送用磁場発生手段を設け、前記第1プラズマ進行管及び／又は前記第２プラズマ進行管に、前記プラズマ搬送用磁場を偏向させる偏向磁場発生手段を付設し、前記偏向磁場発生手段により発生される偏向磁場によりプラズマ流を管中心側に偏向させるので、前記第1プラズマ進行管及び／又は前記第２プラズマ進行管の連接部分における前記プラズマ搬送用磁場の不均一、つまり前記プラズマ搬送用磁場発生用磁場コイルの構成に起因して屈曲部の内側に付加磁場が強くなってしまう不都合を前記偏向磁場により偏向調整して、管路中心にプラズマ流を誘導して、プラズマ密度を高密度に維持して、高密度かつ高純度プラズマを用いたプラズマ処理を行うことができる。
　本発明の第５の形態によれば、前記偏向磁場発生手段は、前記第1プラズマ進行管及び／又は前記第２プラズマ進行管の外周に配置されたヨークと、そのヨークに巻回された磁場コイルとからなり、前記ヨークは、管軸方向にスライド調整、周方向に回動調整、及び／又は管軸方向に揺動調整されるので、前記ヨークの可動によって前記偏向磁場による微調整を行って前記プラズマ搬送用磁場の不均一の解消を図ることができ、前記３段階の屈曲経路の幾何学的配置からなる、最適なプラズマ進行路を実現することができる。
　本発明の第６の形態によれば、前記プラズマ搬送用磁場発生手段は、前記プラズマ直進管、前記第1プラズマ進行管、前記第２プラズマ進行管及び前記第３プラズマ進行管のそれぞれの管外周に巻回された磁場コイルからなるので、前記３段階の屈曲経路全体に前記プラズマ搬送用磁場を発生させて、プラズマ輸送効率を向上させ、高密度かつ高純度プラズマを用いたプラズマ処理を行うことができる。
　前記プラズマ搬送用磁場発生用磁場コイルを、傾斜配置された前記第２プラズマ進行管に傾斜軸に沿って円形状に巻回して設けると、他の管との連接部付近においてコイルが巻回されない空隙を生じ、不均一磁場を生じてプラズマ輸送効率が低下してしまう。そこで、本発明の第７の形態によれば、前記第２プラズマ進行管の管外周に巻回された磁場コイルは、その管外周に対して傾斜軸に沿って楕円状に巻回された磁場コイルからなるので、かかる空隙を生ずることなく、前記第２プラズマ進行管の傾斜面に密に磁場コイルを巻回して、不均一磁場を生じずにプラズマ輸送効率を向上させ、高密度かつ高純度プラズマを用いたプラズマ処理を行うことができる。
　本発明の第８の形態によれば、前記プラズマ直進管、前記第1プラズマ進行管、前記第２プラズマ進行管及び前記第３プラズマ進行管のそれぞれの管内壁面にドロップレット捕集板が植設され、前記植設領域が管内壁面積の７０％以上であるので、プラズマ進行路用管内でのドロップレット付着表面積を多くして、飛散ドロップレットを大量かつ確実に付着、回収でき、プラズマ流の高純度化を実現することができる。
　本発明の第９の形態によれば、前記第２プラズマ進行管を拡径管とし、前記第１プラズマ進行管を前記拡径管のプラズマ導入側始端に連接された導入側縮径管とし、前記第３プラズマ進行管を前記拡径管のプラズマ排出側終端に連接された排出側縮径管とするので、前記導入側縮径管より前記拡径管内に導入されたプラズマ流が前記拡径管による前記プラズマ進行路の拡径作用により拡散される。そのプラズマ流の拡散により、プラズマに混入しているドロップレットも前記拡径管内に拡散するため、前記拡径管の内側壁に衝突して付着、回収される。また、前記拡径管内のプラズマ流が排出されるときには、前記拡径管から前記排出側縮径管への縮径作用により、前記拡径管内壁面側に飛散したドロップレットが段差部に衝突して付着・回収され、プラズマ流に合流することが無くドロップレットの再混入を防ぐことができる。従って、前記拡径管の内側壁にドロップレットを付着させて、十分に回収でき、前記第１プラズマ進行管、前記第２プラズマ進行管及び前記第３プラズマ進行管の管路においてドロップレットを効率的に除去することができる。また、拡径管と導入側縮径管及び／又は排出側縮径管の中心軸を合致させずに偏心させておけば、プラズマ流からドロップレットが分離しやすくなり、ドロップレットの捕集効果が一層高まる。しかも、前記プラズマ進行路に前記拡径管を形成するだけで、簡易かつ安価にドロップレット除去部を構成でき、更にドロップレット除去効率の向上により得られる高純度プラズマを用いて成膜等の表面処理精度を向上させ、被処理物表面の表面改質や形成膜の均一性を格段に向上させることができる。
　傾斜配置された前記第２プラズマ進行管の終端における前記第３プラズマ進行管との連接部においてはプラズマ流が蛇行したり拡散する場合があるので、前記第２プラズマ進行管の出口にプラズマ整流管を配置し、このプラズマ整流管の外周にプラズマ流を強制的に進行方向に集束整流させる整流磁場発生手段を設けても良い。プラズマ進行方向に集束磁場を印加すると、蛇行したり拡散していたプラズマ流を強制的に集束しながら前進させることができる。また、前記プラズマ整流管の出口にラッパ管状の偏向振動管を配置し、前記偏向振動管の外周に偏向振動磁場発生装置（即ち、ヨークコイル）を配置して、偏向振動管の内部にその断面方向にプラズマ流を左右（又は上下）に振る偏向振動磁場を形成することができる。左右方向（断面Ｘ軸方向）と上下方向（断面Ｙ軸方向）の両方向に偏向振動させれば、プラズマ流を広範囲に走査することが可能になる。このように、プラズマ流を偏向走査することにより、非処理物への照射面積がプラズマ流断面積より大きい場合に、プラズマ照射面積を自在に増減することが可能になる。前記プラズマ整流管と前記偏向振動管を組み合わせて配置しても良いし、単独で配置してもよいことは云うまでもない。
　本発明の第１１の形態によれば、前記第２プラズマ進行管内に植設されたドロップレット捕集板は前記第２プラズマ進行管の管壁と電気的に遮断されており、前記ドロップレット捕集板にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段が設けられているので、前記ドロップレット捕集板に前記バイアス電圧が印加されるから、そのバイアス電位を調整することにより、プラズマの減衰を抑制でき、プラズマ搬送効率を増加させることが可能になる。印加電圧は＋の場合と－の場合がある。印加形態は好適に選択される。＋電位の場合には、＋イオンは反発して搬送方向に押し出され、－電位の場合には電子が反発して搬送方向に押し出される。＋－いずれの電位を印加するかは、プラズマ搬送効率を増加させるように選択される。また電位の大きさも種々に調節され、プラズマ搬送効率を増加させる電位強度が選択される。
　本発明の第１２の形態によれば、前記第２プラズマ進行管内に、管軸方向に沿って可動するアパーチャーを配設し、前記アパーチャーは所定面積の開口部を有するので、前記アパーチャーにより前記第２プラズマ進行管内を縮径してドロップレットを捕集し、しかもその設置位置を変更して捕集量を最適に調整することができ、ドロップレット除去効率の向上に寄与する。なお、前記開口部は前記アパーチャーの中心に設けるだけでなく、偏心させて管内プラズマ流を蛇行させる機能を付与することも可能である。
　本発明の第１３の形態によれば、前記第１～第１２のいずれかの形態に係るプラズマ生成装置と、被処理物を設置したプラズマ処理部とを備え、前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口を、前記プラズマ処理部のプラズマ導入口に接続したので、前記前記３段階の屈曲経路からなるプラズマ進行路を備えた前記プラズマ生成装置により生成された高純度のプラズマを前記プラズマ導入口より導入して被処理物に照射し、成膜等の表面処理精度を向上させ、被処理物表面の表面改質や形成膜の均一性を格段に向上させることができるプラズマ処理装置の提供が可能になる。前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口は、前記プラズマ処理部の外壁面に連結しても良いし、前記外壁面の内部に没入させても良いなど、連結設計は自在に行えることは、前述した通りである。
本発明の第１実施形態に係るプラズマ生成装置の概略構成図である。 本発明の第２実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成図である。 第２実施形態に係る可動ヨーク２９の配置状態を示す図である。 可動ヨーク２９の回動調整機構を示す構成図である。 可動ヨーク２９のスライド調整及び揺動調整機構を示す構成図である。 第２実施形態に係るプラズマ搬送用磁場発生用磁場コイルの模式的構成図である。 第２実施形態に係る内周管６１の部分拡大断面図である。 第２実施形態に係る可動アパーチャー７０の平面図とアパーチャー７０の取り付け状態図である。 第３の実施形態であるプラズマ処理装置の概略構成図である。 第３実施形態に係る円錐台形管（偏向振動管）１１０８に形成される走査用磁場の説明図である。 成膜レートに対するプラズマ輸送距離の関係を示す図である。 従来のプラズマ加工装置の構成概略図である。
符号の説明
１　　　　プラズマ処理部
２　　　　プラズマ発生部
３　　　　プラズマ直進管
４　　　　第1プラズマ進行管
５　　　　第２プラズマ進行管
６　　　　第３プラズマ進行管
７　　　　プラズマ出口
８　　　　矢印
９　　　　矢印
１０　　　陰極
１１　　　トリガ電極
１２　　　陽極
１３　　　アーク電源
１４　　　陰極プロテクタ
１５　　　プラズマ安定化磁界発生器
１６　　　絶縁プレート
１７　　　磁場コイル
１８　　　磁場コイル
１９　　　磁場コイル
２０　　　磁場コイル
２１　　　磁場コイル
２２　　　偏向磁場発生手段
２３　　　磁場コイル
２４　　　偏向磁場発生手段
２４ａ　　ガス流入口
２５　　　排気口
２７　　　磁極
２８　　　磁極
２９　　　可動ヨーク
３０　　　偏向磁場発生コイル
３１　　　ガイド体
３２　　　ガイド溝
３３　　　ピン
３４　　　締結ナット
３５　　　スライド部材
３６　　　スペーサ
３７　　　調整部本体
３８　　　スライド溝
３９　　　ピン
４０　　　締結ナット
４１　　　ドロップレット捕集板（バッフル）
４２　　　ドロップレット捕集板（バッフル）
４３　　　ドロップレット捕集板（バッフル）
４４　　　ドロップレット捕集板（バッフル）
６０　　　ドロップレット捕集板（バッフルの一部）
６１　　　内周管
６２　　　開口部
６３　　　バイアス電源
７０　　　アパーチャー
７１　　　開口部
７２　　　ストッパ
７３　　　ビス
７４　　　突出部分
７５　　　管
７６　　　係止凹部
７７　　　矢印
１０８ａ　Ｘ方向振動磁場発生器
１０８ｂ　Ｙ方向振動磁場発生器
１１０９　出口管
１０２　　プラズマ発生部
１０４　　陰極
１０６　　トリガ電極
１０８　　陽極
１０９　　プラズマ１
１１０　　電源
１１２　　プラズマ加工部
１１４　　被処理物
１１６ａ　プラズマ安定化磁場発生器
１１６ｂ　プラズマ安定化磁場発生器
１１００　プラズマ直進管
１１０１　第1プラズマ進行管
１１０２　第２プラズマ進行管
１１０３　第３プラズマ進行管
１１０４　連接口
１１０５　プラズマ出口
１１０６　プラズマ出口
１１０７　整流管
１１０８　円錐台形管
１１１０　プラズマ出口
１１１１　矢印
１１１２　矢印
１１１３　走査用磁場コイル
１１１４　整流磁場コイル
Ａ　　　　プラズマ発生部
Ｃ　　　　プラズマ処理部
Ｃ１　　　設置位置
Ｃ２　　　ターゲット位置
Ｐ０　　　プラズマ直進管
Ｐ１　　　第1プラズマ進行管
Ｐ２　　　第２プラズマ進行管
Ｐ３　　　第３プラズマ進行管
Ｐ４　　　拡径管
Ｓ１　　　プラズマ出口
Ｓ２　　　プラズマ入口
Ｓ３　　　プラズマ出口
Ｗ　　　　ワーク
　以下、本発明に係るプラズマ生成装置の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
　図１は本発明に係るプラズマ生成装置の概略構成図である。図に示すプラズマ生成装置は、プラズマ処理部（チャンバー）Ｃに供給するプラズマを発生させるプラズマ発生部Ａ及びプラズマ進行路から構成される。プラズマ処理部Ｃには、ワーク（プラズマ被処理物）Ｗが設置され、チャンバー内に接続されるガス導入システムにより必要に応じて反応性ガスがガス流入口２４ａから導入され、ガス排気システムにより反応ガスやプラズマ流が排気口２５から排気される。プラズマ発生部Ａは真空雰囲気下で真空アーク放電を行ってプラズマを発生させる陰極（ターゲット）を有する。プラズマ進行路は、プラズマを流通させる管路からなり、プラズマ進行路には、陰極から副生するドロップレットを除去するドロップレット除去部を配置している。このドロップレット除去部は、プラズマ流通管路でもあり、プラズマ発生部Ａに連接されたプラズマ直進管Ｐ０と、プラズマ直進管Ｐ０に屈曲状に連接された第1プラズマ進行管Ｐ１と、第1プラズマ進行管Ｐ１の終端に、その管軸に対して所定屈曲角で傾斜配置させて連接された第２プラズマ進行管Ｐ２と、第２プラズマ進行管Ｐ２の終端に屈曲状に連接され、プラズマ出口よりプラズマを排出する第３プラズマ進行管Ｐ３とから構成されている。
　前記第３プラズマ進行管Ｐ３の出口Ｓ３は、前記プラズマ処理部Ｃの外壁面の内部に没入させて延設されているが、後述する図２に示されるように、前記出口Ｓ３を前記外壁面にフランジ（図示せず）を介して直結しても良いなど、接続形式は自在に調整できる。
　プラズマ直進管Ｐ０はプラズマ発生部Ａから直進するドロップレットを、プラズマ発生部Ａに対向する終端部Ｅあるいは管内壁に衝突させて付着、除去する。プラズマ発生部Ａの前記ターゲット位置Ｃ２からプラズマ直進管Ｐ０の出口、即ち、プラズマ直進管Ｐ０と第1プラズマ進行管Ｐ1との連接点までのプラズマ進行長さをＬ０とする。第1プラズマ進行管Ｐ１はプラズマ直進管Ｐ０の終端側側壁にて直交する向きに連通して連接されている。第1プラズマ進行管Ｐ１のプラズマ進行長さをＬ１とする。第２プラズマ進行管Ｐ２は第1プラズマ進行管Ｐ１及び第３プラズマ進行管Ｐ３の間に傾斜配置されており、そのプラズマ進行長さをＬ２とする。第３プラズマ進行管Ｐ３は第1プラズマ進行管Ｐ１と平行する向きに配置され、そのプラズマ進行長さをＬ３とする。第３プラズマ進行管Ｐ３のプラズマ出口はプラズマ処理部Ｃ内部まで延設されている。第３プラズマ進行管Ｐ３のプラズマ出口より排出されるプラズマがプラズマ処理部Ｃ内の被処理物の設置位置Ｃ１まで到達するプラズマ有効距離をＬ４とする。プラズマ直進管Ｐ０、第1プラズマ進行管Ｐ１、第２プラズマ進行管Ｐ２及び第３プラズマ進行管Ｐ３により３段階に屈曲形成されたプラズマ進行路を形成している。
　各プラズマ進行管の外周には、プラズマ流Ｐを管路に沿って搬送するためのプラズマ搬送用磁場を発生させる磁場コイル（図示せず）が巻回されている。磁場コイルからなるプラズマ搬送用磁場発生手段により、前記３段階の屈曲経路全体にプラズマ搬送用磁場を発生させて、プラズマ輸送効率を向上させている。また、管内壁にはドロップレット除去用バッフル（図示せず）が設置されている。
　上記構成に係るプラズマ進行路において、ターゲット面からプラズマ直進管Ｐ０の出口面の間、第1プラズマ進行管Ｐ１、第２プラズマ進行管Ｐ２及び第３プラズマ進行管Ｐ３のそれぞれのプラズマ進行長さＬ０～Ｌ３にプラズマ有効距離Ｌ４を加えた合計長さ（プラズマ輸送距離）Ｌ（＝Ｌ０＋Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４）は、９００ｍｍ≦Ｌ≦１３５０ｍｍを満たすように設定されている。本実施形態では、図１１のＡ３に示すように、Ｌを１１９０ｍｍにしている。このプラズマ輸送距離の設定下において、Ａ１及びＡ２の上記検証実験と同様に、１枚の基板に対してプラズマ照射を行い、３ｎｍの厚みの成膜を実施したとき、約１．５ｎｍ／ｓｅｃの成膜レートが得られた。
　本実施形態によれば、上記プラズマ進行路によるプラズマ輸送距離を、従来のＴ字プラズマ進行路や湾曲プラズマ進行路よりも短縮して成膜レートを向上させることができ、しかも、単に直進経路を短縮化するのではなく、前記３段階の屈曲経路化により高効率にドロップレットを除去して、成膜等の表面処理精度の向上に実現できる高純度プラズマを生成することができる。即ち、Ｔ字状に屈曲させたプラズマ進行路による場合（Ａ１）、湾曲させたプラズマ進行路を用いた場合（Ａ２）と比較して、プラズマ輸送距離が短縮され、しかも、半導体基板等に使用される、良好な成膜条件として高い成膜レート（約１．５ｎｍ／ｓｅｃ）を得ることができる。
　本実施形態では、プラズマ進行路が前記３段階の屈曲経路で構成され、更に図１に示す管路配置により、極めて良好なドロップレット除去効果を奏する。このドロップレット除去効果により、幅ｄ１が２．５ｉｎ（インチ）、長さＤ２が２．５ｉｎ（インチ）、任意厚さtのサイズの基板（ワークＷ）に対してプラズマを４秒間照射したときのドロップレットの付着量は、１０個～１００個未満となった。
　第３プラズマ進行管Ｐ３のプラズマ出口Ｓ３から第1プラズマ進行管Ｐ１のプラズマ出口Ｓ１側を直線状に透視させない位置に、第２プラズマ進行管Ｐ２が幾何学的に配置されている。即ち、第３プラズマ進行管Ｐ３のプラズマ入口Ｓ２側の管断面上端から第1プラズマ進行管Ｐ１のプラズマ出口Ｓ１側の管断面下端に対する仰角をθとし、第３プラズマ進行管Ｐ３のプラズマ出口Ｓ３側の管断面下端から第２プラズマ進行管Ｐ２のプラズマ出口Ｓ２側の管断面上端に対する仰角をθ０としたとき、θ≧θ０が満足される。
　上記の幾何学的管路配置により、第1プラズマ進行管Ｐ１から導出される直進ドロップレットが直接的に第３プラズマ進行管Ｐ３に侵入するのを回避して、第３プラズマ進行管Ｐ３のプラズマ出口Ｓ３から排出されないようにすることができる。従って、前記前記３段階の屈曲経路過程において経路内壁にドロップレットを衝突させて付着除去することが可能となり、被処理物に対するドロップレットの付着量を上記のように大幅に低減することができ、高効率にドロップレットが除去された高純度プラズマによるプラズマ処理を行うことができる。
　本実施形態においては、前記３段階の屈曲経路を同一平面上に連結して構成しているが、空間的に３段階に屈曲した管路構成とした場合にも、上記同様の幾何学的配置により、直進プラズマが直接的に第３プラズマ進行管のプラズマ出口から排出されない管路構成を実現することができる。
　第２プラズマ進行管Ｐ２は破線で示すように、第１プラズマ進行管Ｐ１及び第３プラズマ進行管Ｐ３より内径の大きい拡径管Ｐ４としてもよい。即ち、第２プラズマ進行管Ｐ２を拡径管Ｐ４とし、第１プラズマ進行管Ｐ１を拡径管Ｐ４のプラズマ導入側始端に連接された導入側縮径管とし、第３プラズマ進行管Ｐ３を拡径管Ｐ４のプラズマ排出側終端に連接された排出側縮径管とする。拡径管Ｐ４を中間に配置すれば、導入側縮径管より拡径管内に導入されたプラズマ流が拡径管Ｐ４によるプラズマ進行路の拡径作用により拡散される。そのプラズマ流の拡散により、プラズマに混入しているドロップレットも拡径管Ｐ４内に拡散して、拡径管Ｐ４の内側壁に衝突して付着、回収される。また、拡径管Ｐ４内のプラズマ流が排出されるときには、拡径管Ｐ４から排出側縮径管への縮径作用により、拡径管内壁面側に飛散したドロップレットが段差部に衝突して付着・回収され、プラズマ流に合流することが無くドロップレットの再混入を防ぐことができる。従って、拡径管Ｐ４の内側壁にドロップレットを付着させて、十分に回収でき、第１プラズマ進行管Ｐ１、第２プラズマ進行管Ｐ２及び第３プラズマ進行管Ｐ３の管路においてドロップレットを効率的に除去することができる。また、拡径管Ｐ４と導入側縮径管及び／又は排出側縮径管の中心軸を合致させずに偏心させておけば、プラズマ流からドロップレットが分離しやすくなり、ドロップレットの捕集効果が一層高まる。しかも、プラズマ進行路に拡径管Ｐ４を形成するだけで、簡易かつ安価にドロップレット除去部を構成することができる。
　次に、本発明におけるプラズマ生成装置を用いたプラズマ処理装置に好適な磁場コイルの設置例及びドロップレット除去用バッフル（捕集板）の設置例を説明する。
　図２はプラズマ搬送用磁場を発生させる磁場コイルを管外周に設置し、またドロップレット除去用バッフルを管内壁に配置したプラズマ処理装置の実施形態を示す。この実施形態では、第３プラズマ進行管の出口をプラズマ処理部１の外壁面に直結した接続形式を採用している。
　図２のプラズマ処理装置は、プラズマ処理部（チャンバー）１と、プラズマ処理部１に供給するプラズマを発生させるプラズマ発生部２及びプラズマ進行路からなるプラズマ生成装置とから構成される。プラズマ進行路は、図１の場合と同様に、ドロップレットを除去するドロップレット除去部を配置したプラズマ流通管路からなる。ドロップレット除去部は、プラズマ発生部２に連接されたプラズマ直進管３と、プラズマ直進管３に屈曲状に連接された第1プラズマ進行管４と、第1プラズマ進行管４の終端に、その管軸に対して所定屈曲角で傾斜配置させて連接された第２プラズマ進行管５と、第２プラズマ進行管５の終端に屈曲状に連接され、プラズマ出口７よりプラズマを排出する第３プラズマ進行管６とから構成されている。
　プラズマ直進管３、第1プラズマ進行管４、第２プラズマ進行管５及び第３プラズマ進行管６からなるプラズマ進行路は、図１のプラズマ進行路と同様に、３段階に屈曲形成されている。第３プラズマ進行管６のプラズマ出口７はプラズマ処理部１のプラズマ導入口に接続されている。
　また、第３プラズマ進行管６のプラズマ出口７から第1プラズマ進行管４のプラズマ出口側を直線状に透視させない位置に、第２プラズマ進行管５が図１と同様に幾何学的に配置されている。即ち、矢印９で示すように、第３プラズマ進行管６のプラズマ入口側の管断面上端から第1プラズマ進行管４のプラズマ出口側の管断面下端に対する仰角（θ）は、矢印８で示すように、第３プラズマ進行管６のプラズマ出口７側の管断面下端から第２プラズマ進行管５のプラズマ出口側の管断面上端に対する仰角（θ０）としたとき、θ≧θ０が満足されている。図１と同様の幾何学的管路配置により、第1プラズマ進行管４から導出される直進ドロップレットが直接的に第３プラズマ進行管６に侵入するのを回避して、第３プラズマ進行管６のプラズマ出口７から排出されないようにすることができる。
　プラズマ発生部２は、陰極（カソード）１０、トリガ電極１１、陽極（アノード）１２、アーク電源１３、陰極プロテクタ１４、プラズマ安定化磁界発生器（電磁コイル若しくは磁石）１５を備えている。陰極１０は、プラズマ構成物質の供給源であり、その形成材料は、導電性を有する固体なら特に限定されず、金属単体、合金、無機単体、無機化合物（金属酸化物・窒化物）等を単独又は２種以上混合して用いることができる。陰極プロテクタ１４は、蒸発する陰極表面以外を電気絶縁し、陰極１０と陽極１２との間に発生するプラズマが後方に拡散することを防止するものである。陽極１２の形成材料は、プラズマ温度でも蒸発せず、非磁性の材料で導電性を有する固体なら特に限定されない。また陽極１２の形状はアークプラズマの全体の進行を遮るものでなければ、特に限定されない。更に、プラズマ安定化磁界発生器１５は、プラズマ発生部２の外周に配置され、プラズマを安定化させる。プラズマに対する印加磁場が互いに逆方向（カスプ形）となるようにアーク安定化磁界発生器１５が配置された場合、プラズマはより安定化する。また、プラズマに対する印加磁場が互いに同方向（ミラー形）となるようにアーク安定化磁界発生器１５が配置された場合、プラズマによる成膜速度をより向上させることができる。更に、プラズマ発生部２と各プラズマ管路とはプラズマ発生部側絶縁プレート１６で電気的に絶縁され、プラズマ発生部２に高電圧が印加されても、プラズマ直進管３から前方部は電気的に浮動状態にあり、プラズマがプラズマ進行路内で電気的な影響を受けないように構成されている。また、第３プラズマ進行管６とプラズマ処理部１の間にも加工部側絶縁プレート（図示せず）が介装されており、プラズマ直進管３から第３プラズマ進行管６までのプラズマ搬送用のダクト部の全体が、電気的に浮動状態に設定され、搬送されるプラズマに外部電源（高電圧やＧＮＤ）の影響がない様に構成されている。
　プラズマ発生部２では、陰極１０とトリガ電極１１の間に電気スパークを生起し、陰極１０と陽極１２の間に真空アークを発生させてプラズマが生成される。このプラズマの構成粒子は、陰極１０からの蒸発物質、蒸発物質と反応ガスを起源とする荷電粒子（イオン、電子）と共に、プラズマ前状態の分子、原子の中性粒子を含む。また、プラズマ構成粒子が放出されると同時に、サブミクロン以下から数百ミクロン（０．０１～１０００μｍ）サイズのドロップレットが放出される。このドロップレットは、プラズマ流２６との混合状態を形成し、ドロップレット混合プラズマとしてプラズマ進行路内を移動する。
　プラズマ直進管３、第1プラズマ進行管４、第２プラズマ進行管５及び第３プラズマ進行管６からなるプラズマ進行路には、各管外周に巻回された磁場コイル１７、１８、１９、２０からなるプラズマ搬送用磁場発生手段が設けられている。前記３段階の屈曲経路全体にプラズマ搬送用磁場を発生させることにより、プラズマ輸送効率を向上させることができる。
　プラズマ進行路は３段階に屈曲形成されているので、第1プラズマ進行管４及び第２プラズマ進行管５の管連接部には屈曲磁場を発生させる磁場コイル２１、２３が付設されており、屈曲磁場によりプラズマ流を屈曲誘導している。第1プラズマ進行管４及び第２プラズマ進行管５の連接部分においては、屈曲磁場用コイルが均等に巻回できないため、屈曲部の内側に屈曲磁場が強くなってしまう磁場の不均一を生ずる。この不均一磁場を解消するために、第1プラズマ進行管４及び第２プラズマ進行管５には、偏向磁場発生手段２２、２４が付設されている。
　偏向磁場発生手段２２、２４は偏向磁場発生コイル３０と可動ヨーク２９からなる。図３は可動ヨーク２９を第２プラズマ進行管５外周に配置した状態を示す。可動ヨーク２９は偏向磁場発生コイル３０が巻回され、一対の磁極２７、２８を有する。磁極２７、２８間には偏向磁場が発生され、第２プラズマ進行管５内のプラズマに付与される。
　偏向磁場発生手段２２、２４は、可動ヨーク２９を、管軸方向にスライド調整、周方向に回動調整及び管軸方向に揺動調整する調整機構を含む。
　図４は第１プラズマ進行管４外周に配置した可動ヨーク２９の回動調整機構を示す。回動調整機構は可動ヨーク２９を周方向に回動調整する円弧状ガイド溝３２が４箇所設けられたガイド体３１からなる。ガイド溝３２には可動ヨーク２９に設けたピン３３が挿入され、ピン３３を管円周方向にスライドさせることにより９０度以下の角度調整範囲θ１内で可動ヨーク２９を回動調整することができる。調整後はピン３３を締結ナット３４でガイド体３１に締め付けることにより、その調整角度を保持することができる。
　図５は第２プラズマ進行管５外周に配置した可動ヨーク２９を管軸方向にスライド調整及び管軸方向に揺動調整する調整機構を示す。ガイド体３１は可動ヨーク２９をスペーサ３６を介して固定保持した状態でスライド部材３５に支持されている。スライド部材３５は第２プラズマ進行管５の管軸方向に沿った直線状スライド溝３８を有し、調整部本体３７に固定されている。スライド溝３８は第２プラズマ進行管５の傾斜中心線に平行に形成されている。第１プラズマ進行管４に設置されるスライド溝は第１プラズマ進行管４の中心線に沿って水平に形成されている。ガイド溝３８にはガイド体３１に設けたピン３９が挿入され、ピン３９を管軸方向にスライドさせることにより、第２プラズマ進行管のほぼ管長にわたってガイド体３１の可動ヨーク２９をスライド調整することができる。調整後はピン３９を締結ナット４０でスライド部材３５に締め付けることにより、その調整位置を保持することができる。また、ガイド体３１は可動ヨーク２９を固定保持した状態でピン３９の軸回りに回転自在にスライド部材３５に支持されている。ピン３９の軸回りに回転させることにより、可動ヨーク２９を管軸方向に揺動調整（チルト角調整）することができる。調整後はピン３９を締結ナット４０でスライド部材３５に締め付けることにより、その調整チルト角を保持することができる。調整可能なチルト角は第１プラズマ進行管４側に５°、その反対側に３０°である。
　偏向磁場発生手段２２、２４は、可動ヨーク２９を、管軸方向にスライド調整、周方向に回動調整、及び管軸方向に揺動調整可能にするので、可動ヨーク２９の位置ないし角度の調整によって前記偏向磁場による微調整を行ってプラズマ搬送用磁場の不均一の解消を図ることができ、前記３段階の屈曲経路の幾何学的配置からなる、最適なプラズマ進行路を実現することができる。
　図６の（６Ａ）はプラズマ搬送用磁場発生用磁場コイルを、傾斜配置された第２プラズマ進行管５に傾斜軸に沿って円形状Ｍ１に巻回した状態１９Ａを模式的に示す。この場合には、図中の斜線で示すように、他の管（４又は６）との連接部付近においてコイルが巻回されない空隙を生じ、不均一磁場を生じてプラズマ輸送効率が低下してしまう。
　本実施形態においては、第２プラズマ進行管５の管外周に巻回された磁場コイル１９は、その管外周に対して傾斜軸に沿って楕円状に巻回された磁場コイルからなる。図６の（６Ｂ）はプラズマ搬送用磁場発生用磁場コイル１９を、傾斜配置された第２プラズマ進行管５に傾斜軸に沿って楕円形状Ｍ２に巻回した状態１９Ｂを模式的に示す。楕円形状Ｍ２に巻回した磁場コイル１９を第２プラズマ進行管５に設置することにより、（６Ａ）の斜線領域のような空隙が生じないので、第２プラズマ進行管５の傾斜面に密に磁場コイルを巻回して、不均一磁場を発生させずにプラズマ輸送効率を向上させ、高密度かつ高純度プラズマを用いたプラズマ処理を可能にすることができる。
　プラズマ直進管３、第1プラズマ進行管４、第２プラズマ進行管５及び第３プラズマ進行管６からなるプラズマ進行路には、それぞれの管内壁面にドロップレット捕集板（バッフル）４１、４２、４３、４４が植設されている。各捕集板の構造を以下に詳述する。
　図７はドロップレット捕集板６０を有する内周管６１の部分拡大断面図である。内周管６１は各プラズマ管路（３～６）に収設され、その内壁には、複数枚のドロップレット捕集板６０が植設されている。ドロップレット捕集板６０の中央にはプラズマ流通用開口部６２が形成されている。プラズマは図の上方から流入し、開口部６２を通過する。ドロップレット捕集板６０の傾斜角αは１５～９０°の範囲で設定されるが、経験的に３０～６０°が好適であり、この実施例ではα＝６０°に設定されている。この傾斜角では、プラズマ流から分離されたドロップレットはドロップレット捕集板６０を多重反射しながら確実に付着回収できる。
　複数枚のドロップレット捕集板６０により内周管６１内でのドロップレット付着表面積を多くしており、飛散ドロップレットを大量かつ確実に付着、回収することができる。プラズマ進行路においては、内周管６１の管長による制限によってドロップレット捕集板６０の設置枚数が制約されるので、ドロップレット除去面積を増大するためには、ドロップレット捕集板６０の表面に粗面加工を施して、無数の凹凸を有した粗面を形成するのが好ましい。即ち、ドロップレット捕集板６０の表面を粗面化することにより、ドロップレット捕集板６０の捕集面積が増大して、捕集効率が向上させることができる。また、凹部に衝突したドロップレットは凹部で確実に固着され、ドロップレット捕集効率が格段に増加する。粗面加工には、筋目加工や梨地加工を使用することができる。筋目加工方法としては、例えば、研磨紙による研磨処理を用いる。梨地加工方法には、例えば、アルミナ、ショット、グリッド、ガラスビーズ等によるブラスト処理を用い、特に、圧縮空気等により数ミクロン粒子を加速してノズル噴射させるマイクロブラスト加工が、ドロップレット捕集板６０の狭い表面に微細凹凸加工を施すことができる。
　ドロップレット捕集板６０の植設領域は、好ましくは管内壁面積の７０％以上である。図２の場合には、植設領域を管内壁面積の約９０％にしており、プラズマ進行路用管内でのドロップレット付着表面積を多くして、飛散ドロップレットを大量かつ確実に付着、回収でき、プラズマ流の高純度化を実現することができる。
　ドロップレット捕集板６０は各プラズマ進行管の管壁と電気的に遮断されている。内周管６１にはバイアス電圧印加手段としてのバイアス電源６３が接続され、内周管６１を＋電位に設定したり、－電位に設定することができる。内周管６１のバイアス電位が＋電位の場合には、プラズマ中の＋イオンを搬送方向に押し出す効果があり、－電位の場合にはプラズマ中の電子を搬送方向に押し出す効果がある。＋－のいずれを選択するかはプラズマ搬送効率を低下させない方向に選択され、プラズマの状態で判断される。電位強度も可変であり、通常は内周管６１を＋１５Ｖに設定することが搬送効率の観点から選ばれている。各ドロップレット捕集板に上記バイアス電圧を印加することにより、そのバイアス電位を調整して、プラズマの減衰を抑制でき、プラズマ搬送効率を増加させることができる。
　第２プラズマ進行管５内には、管軸方向に沿って可動するアパーチャー７０を１個以上配設してもよい。前記アパーチャー７０は、第２プラズマ進行管５内の
管軸方向に沿って設置位置が変更可能な構造を有しており、前後に移動できる構造でも良いし、一方向にのみ移動できる構造でも良い。移動可能であるから、アパーチャーの設置位置を調整でき、取り出して洗浄することも可能である。このアパーチャー７０は中央に所定面積の開口部を有しており、この開口部の周囲壁面でドロップレットを衝突捕獲し、前記開口部を通過したプラズマが進行してゆく。前記開口部は中心に設けても良いし、偏心位置に設けても良いなど、種々に設計できる。従って、第２プラズマ進行管５内に複数のアパーチャー７０を移動可能に設置すれば、ドロップレットの除去効率が増加し、プラズマ純度を向上することができる。以下では、板ばねを利用した一方向移動のアパーチャーが示される。
　図８の（８Ａ）は可動アパーチャー７０の平面図であり、同図（８Ｂ）はアパーチャー７０の取り付け状態を示す。アパーチャー７０は中央に所定面積の開口部７１を有するリング形状を有する。このとき、前記開口部の形状は配置形態により円形、楕円形など種々に設計できる。アパーチャー７０面の３箇所に、外側に突出した弾性片（例えば、板ばね）からなるストッパ７２がビス７３により固着されているが、溶接など固定方式は任意に採用できる。弾性片の突出部分７４は下方に向けて屈曲されている。図８の（８Ｂ）に示すように、第２プラズマ進行管５の管７５内壁には、あらかじめアパーチャー７０保持用の係止凹部７６を円状に刻設しておく。係止凹部７６は管７５の長手方向に沿って、複数個設けられている。弾性片の突出部分７４を下方に向けた状態でアパーチャー７０を矢印７７の向きに管７５内に挿入すると、ストッパ７２が押し曲げながら管内周面に沿って移動する。プラズマ流の方向は矢印７７の逆方向である。更に、アパーチャー７０を矢印７７の向きに押し込むと、係止凹部７６にてストッパ７２の突出部分７４が弾性付勢力により広がって係止凹部７６に嵌入し、係止する。この係止状態ではストッパ７２を逆戻りさせることはできず、その係止位置でアパーチャー７０をセットすることができる。セット位置を変更する場合、アパーチャー７０を矢印７７の向きに更に押し込むと、ストッパ７２の係止が解除され、次の係止凹部７６に突出部分７４が再び嵌入して係止させることができる。
　アパーチャー７０は第２プラズマ進行管５内の任意のセット位置まで可動する構造であるので、アパーチャー７０により第２プラズマ進行管５内を縮径してドロップレットを捕集し、しかもそのセット位置を適宜変更して捕集量を最適に調整することができ、ドロップレット除去効率の向上に寄与する。アパーチャー７０のセット数は１又は２以上である。なお、開口部７１はアパーチャー７０の中心に設けるだけでなく、偏心させて管内プラズマ流を蛇行させる機能を付与することも可能である。
　プラズマ直進管３、第1プラズマ進行管４、第２プラズマ進行管５及び第３プラズマ進行管６からなるプラズマ進行路における連接部には、リング形状のアパーチャーを配設してもよい。アパーチャー７０と同様に、かかる連接部用アパーチャーの配設により、プラズマ進行路の管径を縮小あるいは偏心、もしくは縮小・偏心させて、プラズマ流に含まれるドロップレットをより多く捕集してドロップレット除去効率を向上させることができる。
　図１及び図２のプラズマ生成装置においては、最終段の第３プラズマ進行管６を一様な管径で構成しているが、屈曲経路を経て第２プラズマ進行管５より排出されるプラズマ流を第３プラズマ進行管６において、更に高密度化するのが好ましい。第３プラズマ進行管６において更に高密度化機能を付与した実施形態を以下に示す。
　図９は第３の実施形態であるプラズマ処理装置の概略構成を示す。図９のプラズマ処理装置は、図２と同様に、プラズマ処理部１に供給するプラズマを発生させるプラズマ発生部（図示せず）及びプラズマ進行路からなるプラズマ生成装置を有する。プラズマ進行路に設けたドロップレット除去部は、図２と同様に、プラズマ発生部に連接されたプラズマ直進管１１００と、プラズマ直進管１１００に屈曲状に連接口１１０４にて連接された第1プラズマ進行管１１０１と、第１プラズマ進行管１１０１の終端に、その管軸に対して所定屈曲角で傾斜配置させて連接された第２プラズマ進行管１１０２と、第２プラズマ進行管１１０２の終端に屈曲状に連接され、プラズマ出口１１０６よりプラズマを排出する第３プラズマ進行管１１０３とから構成されている。なお、図示しないが、プラズマ進行路にはドロップレット捕集板及びプラズマ搬送磁場形成用磁場コイルが配設されている。
　プラズマ直進管１１００、第1プラズマ進行管１１０１、第２プラズマ進行管１１０２及び第３プラズマ進行管１１０３からなるプラズマ進行路は、図１及び図２のプラズマ進行路と同様に、３段階に屈曲形成されている。第３プラズマ進行管１１０３は、第２プラズマ進行管１１０２の終端に連接された整流管１１０７、整流管１１０７に連接された偏向振動管となる円錐台形管１１０８及び出口管１１０９からなる。円錐台形管（偏向振動管）１１０８は出口管１１０９側に向けて拡径されている。出口管１１０９のプラズマ出口１１１０はプラズマ処理部１のプラズマ導入口に接続されている。出口管１１０９は一様な管径を有する。本実施形態に係るプラズマ進行路において、第1プラズマ進行管１１０１、第２プラズマ進行管１１０２及び第３プラズマ進行管１１０３のそれぞれのプラズマ進行長さＬ１～Ｌ３は、図１の各プラズマ進行管と同様に設定されている。また、出口管１１０９のプラズマ出口１１１０から第1プラズマ進行管１１０１のプラズマ出口１１０５側を直線状に透視させない位置に、第２プラズマ進行管１１０２が図１及び図２と同様に幾何学的に配置されている。即ち、矢印１１１１で示すように、整流管１１０７のプラズマ入口側の管断面上端から第1プラズマ進行管１１０１のプラズマ出口１１０５側の管断面下端に対する仰角（θ）は、矢印１１１２で示すように、出口管１１０９のプラズマ出口１１１０側の管断面下端から第２プラズマ進行管１１０２のプラズマ出口１１０６側の管断面上端に対する仰角（θ０）としたとき、図１と同様に、θ≧θ０が満足されている。図１及び図２と同様の幾何学的管路配置により、第1プラズマ進行管１１０１から導出される直進ドロップレットが直接的に第３プラズマ進行管１１０３に侵入するのを回避して、第３プラズマ進行管１１０３のプラズマ出口１１１０から排出されないようにすることができる。
　傾斜配置された第２プラズマ進行管１１０２の終端における第３プラズマ進行管１１０３との連接部においてはプラズマ流が蛇行・拡散して、第３プラズマ進行管１１０３側へのプラズマ進行効率が低下するのを防止するために、第２プラズマ進行管と連接する整流管１１０７に整流磁場コイル１１１４を設けられ、第２プラズマ進行管１１０２から整流管１１０７に供給されるプラズマの流れを強制的に集束させながら整流する整流磁場を管内に発生させている。この整流磁場により第２プラズマ進行管１１０２に流れるプラズマを第３プラズマ進行管１１０３側に集束状に引き出すことができ、高密度かつ高純度のプラズマを生成することが可能となる。
　図１０は、第３実施形態に係る円錐台形管（偏向振動管）１１０８（図９に図示）に形成される走査用磁場の説明図である。図９及び図１０に示されるように、整流磁場作用により集束整流されたプラズマ流を左右・上下に振動させてＣＲＴディスプレイの様にプラズマ流を走査するために、整流管１１０７に連接された円錐台形管（偏向振動管）１１０８には走査用磁場コイル１１１３が付設されている。走査用磁場コイル１１１３は一組のＸ方向振動磁場発生器１０８ａ、１０８ａと、一組のＹ方向振動磁場発生器１０８ｂ、１０８ｂとからなる。
　Ｘ方向振動磁場発生器１０８ａ、１０８ａによる時刻ｔのＸ方向振動磁場ＢＸ（ｔ）、Ｙ方向振動磁場発生器１０８ｂ、１０８ｂによる時刻ｔのＹ方向振動磁場ＢＹ（ｔ）及び時刻ｔの走査磁場ＢＲ（ｔ）の関係が示されている。走査磁場ＢＲ（ｔ）はＸ方向振動磁場ＢＸ（ｔ）とＹ方向振動磁場ＢＹ（ｔ）の合成磁場である。詳細に説明すると、Ｘ方向振動磁場によりプラズマ流を左右に振りながら、Ｙ方向振動磁場によりプラズマ流を上下に走査し、これを反復してプラズマ処理部１に大面積プラズマ照射を可能にする。プラズマ流の断面積がプラズマ処理室１内に配置された被処理物の断面積より小さい場合、プラズマ流を上下左右に走査して被処理物の全表面にプラズマ照射を可能にする。例えば、ＣＲＴディスプレイの電子ビームが左右に振動しながら上下に移動し、この動作を反復してディスプレイ画面の全面が発光するのと同様の原理を利用する。図１０には、時刻ｔ＝ｔ１における振動磁場ＢＸ（ｔ１）及びＢＹ（ｔ１）から走査用磁場ＢＲ（ｔ１）が合成され、この走査用磁場ＢＲ（ｔ１）が左右に振動しながら、時刻ｔ＝ｔ２には振動磁場ＢＸ（ｔ２）及びＢＹ（ｔ２）から走査用磁場ＢＲ（ｔ２）が形成され、管内のほぼ全面にプラズマ流が偏向振動できる。
　本発明は、上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々変形例、設計変更などをその技術的範囲内に包含するものであることは云うまでもない。
　本発明に係るプラズマ生成装置はプラズマ進行路にドロップレット除去部を設けて、高純度で均一なプラズマ流をプラズマ処理部に導入することができる。また、本発明に係るプラズマ生成装置により生成される高純度プラズマを用いれば、プラズマ中で固体材料の表面に欠陥や不純物が格段に少ない高純度の薄膜を形成したり、プラズマを照射することにより、固体の表面特性を欠陥や不純物を付与することなく、均一に改質することができ、例えば固体表面における耐磨耗性・耐食性強化膜、保護膜、光学薄膜、透明導電性膜などを高品質かつ高精度に形成することができるプラズマ処理装置を提供することができる。

Claims (13)

  1. 真空雰囲気下で真空アーク放電を行ってターゲット表面からプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部により発生されたプラズマを進行させるプラズマ進行路とを有し、前記プラズマ進行路に、プラズマの発生時に陰極から副生する陰極材料粒子（以下「ドロップレット」という）を除去するドロップレット除去部を配置し、このドロップレット除去部は、前記プラズマ発生部に連接されたプラズマ直進管と、前記プラズマ直進管に屈曲状に連接された第1プラズマ進行管と、前記第1プラズマ進行管の終端に、その管軸に対して所定屈曲角で傾斜配置させて連接された第２プラズマ進行管と、前記第２プラズマ進行管の終端に屈曲状に連接され、プラズマ出口よりプラズマを排出する第３プラズマ進行管とから構成され、前記プラズマが前記ターゲット表面から被処理物に到達するまでの合計長さＬが、９００ｍｍ≦Ｌ≦１３５０ｍｍを満たすように設定されることを特徴とするプラズマ生成装置。
  2. 前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口から前記第1プラズマ進行管のプラズマ出口側を直線状に透視させない位置に、前記第２プラズマ進行管が幾何学的に配置された請求項１に記載のプラズマ生成装置。
  3. 前記第３プラズマ進行管のプラズマ入口側の管断面上端から前記第1プラズマ進行管のプラズマ出口側の管断面下端に対する仰角をθとし、前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口側の管断面下端から前記第２プラズマ進行管のプラズマ出口側の管断面上端に対する仰角をθ０としたとき、θ≧θ０が満足される請求項２に記載のプラズマ生成装置。
  4. 前記プラズマ直進管、前記第1プラズマ進行管、前記第２プラズマ進行管及び前記第３プラズマ進行管のそれぞれに、プラズマ搬送用磁場を発生するプラズマ搬送用磁場発生手段を設け、前記第1プラズマ進行管及び／又は前記第２プラズマ進行管に、前記プラズマ搬送用磁場を偏向させる偏向磁場発生手段を付設し、前記偏向磁場発生手段により発生される偏向磁場によりプラズマ流を管中心側に偏向させる請求項１、２又は３に記載のプラズマ生成装置。
  5. 前記偏向磁場発生手段は、前記第1プラズマ進行管及び／又は前記第２プラズマ進行管の外周に配置されたヨークと、そのヨークに巻回された磁場コイルとからなり、前記ヨークは、管軸方向にスライド調整、周方向に回動調整、及び／又は管軸方向に揺動調整される請求項４に記載のプラズマ生成装置。
  6. 前記プラズマ搬送用磁場発生手段は、前記プラズマ直進管、前記第1プラズマ進行管、前記第２プラズマ進行管及び前記第３プラズマ進行管のそれぞれの管外周に巻回された磁場コイルからなる請求項４に記載のプラズマ生成装置。
  7. 前記第２プラズマ進行管の管外周に巻回された磁場コイルは、その管外周に対して傾斜軸に沿って楕円状に巻回された磁場コイルからなる請求項６に記載のプラズマ生成装置。
  8. 前記プラズマ直進管、前記第1プラズマ進行管、前記第２プラズマ進行管及び前記第３プラズマ進行管のそれぞれの管内壁面にドロップレット捕集板が植設され、前記植設領域が管内壁面積の７０％以上である請求項１～７のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
  9. 前記第２プラズマ進行管を拡径管とし、前記第１プラズマ進行管を前記拡径管のプラズマ導入側始端に連接された導入側縮径管とし、前記第３プラズマ進行管を前記拡径管のプラズマ排出側終端に連接された排出側縮径管とする請求項１～８のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
  10. 前記第２プラズマ進行管と前記第３プラズマ進行管の連接部に、前記第２プラズマ進行管から前記第３プラズマ進行管に供給されるプラズマ流を進行方向に集束整流する整流磁場発生手段、及び／又は前記プラズマ流をその断面方向に偏向振動させる偏向振動磁場発生手段が設けられた請求項１～９のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
  11. 前記第２プラズマ進行管内に植設されたドロップレット捕集板は前記第２プラズマ進行管の管壁と電気的に遮断されており、前記ドロップレット捕集板にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段が設けられた請求項８に記載のプラズマ生成装置。
  12. 前記第２プラズマ進行管内に、管軸方向に沿って設置位置が変更可能な1個以上のアパーチャーを配設し、前記アパーチャーは所定面積の開口部を有する請求項１～１１のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
  13. 請求項１～１２のいずれかに記載のプラズマ生成装置と、被処理物を設置したプラズマ処理部とを備え、前記第３プラズマ進行管のプラズマ出口を、前記プラズマ処理部のプラズマ導入口に接続したことを特徴とするプラズマ処理装置。
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