(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ構成物質の供給源を陰極とし、前記陰極の前方又は周囲に陽極を設け、前記アーク放電の発生により前記陰極と前記陽極間にアークプラズマを発生させ、回転磁場によりプラズマ進行方向の周りに回転させたプラズマ流を生成するプラズマ流生成方法において、前記プラズマ進行方向の周りのプラズマの回転角領域を２以上に分割し、それぞれの回転角領域におけるプラズマの回転速度を異ならせたことを特徴とするプラズマ流生成方法。
【請求項２】
プラズマ流通経路に設けたＸ方向磁場を発生させ、且つ前記Ｘ方向と直交するＹ方向磁場を発生させて、前記回転角領域に応じてＸ方向磁場及び／又はＹ方向磁場を可変して、前記回転角領域におけるプラズマの前記回転速度を異ならせて、円軌道、楕円軌道又は螺旋軌道を描くプラズマ流を生成する請求項１に記載のプラズマ流生成方法。
【請求項３】
前記回転角領域を４ｎ（ｎ：正の整数）個に分割した請求項１又は２に記載のプラズマ流生成方法。
【請求項４】
前記請求項１、２又は３に記載のプラズマ流生成方法により生成したプラズマ流を被処理物に与えてプラズマ処理を行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項５】
前記被処理物の内周部と外周部に成膜するとき、前記回転速度の異なる回転角領域を備えたプラズマ流により、前記内周部と前記外周部における膜厚が異なるようにプラズマ処理を行う請求項４に記載のプラズマ処理方法。
【請求項６】
プラズマ構成物質の供給源を陰極とし、前記陰極の前方又は周囲に陽極を設け、前記アーク放電の発生により前記陰極と前記陽極間にアークプラズマを発生させ、プラズマ流を回転磁場によりプラズマ進行方向の周りに回転させるプラズマ発生装置において、前記プラズマ進行方向の周りのプラズマの回転角領域を２以上に分割し、それぞれの回転角領域におけるプラズマの回転速度を異ならせたことを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項７】
プラズマ流通経路に設けたＸ方向磁場を発生するＸ方向磁場発生手段と、前記Ｘ方向と直交するＹ方向磁場を発生するＹ方向磁場発生手段とを備え、前記回転角領域に応じてＸ方向磁場及び／又はＹ方向磁場を可変して、前記回転角領域におけるプラズマの前記回転速度を異ならせて、円軌道、楕円軌道又は螺旋軌道を描くプラズマ流を発生する請求項６に記載のプラズマ発生装置。
【請求項８】
前記回転角領域を４ｎ（ｎ：正の整数）個に分割した請求項６又は７に記載のプラズマ発生装置。
【請求項９】
前記請求項６、７又は８に記載のプラズマ発生装置と、前記プラズマ発生装置により発生されたプラズマを輸送するプラズマ輸送管と、前記プラズマ輸送管から供給されるプラズマにより被処理物を処理するプラズマ処理部を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１０】
前記被処理物の内周部と外周部に成膜するとき、前記回転速度の異なる回転角領域を備えたプラズマ流により、前記内周部と前記外周部における膜厚が異なるようにする請求項９に記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ構成物質の供給源を陰極とし、前記陰極の前方又は周囲に陽極を設け、前記陰極と前記陽極間においてアーク放電を行って前記陰極表面から発生したプラズマを回転させたプラズマ流を生成するプラズマ流生成方法、前記回転させたプラズマ流によるプラズマ処理方法、前記プラズマ流を発生させるプラズマ発生装置及び前記プラズマ発生装置による発生プラズマを用いて成膜等のプラズマ処理を行うプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、プラズマ中で固体材料の表面に薄膜を形成したり、イオンを注入することにより、固体の表面特性が改善されることが知られている。金属イオンや非金属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。
【０００３】
金属イオンや非金属イオンを含むプラズマを発生する方法として、真空アークプラズマ法がある。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。
【０００４】
一般に、真空アーク放電では、陰極点から陰極材料イオン、電子、陰極材料中性原子団（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。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、薄膜の欠陥を生じさせ、成膜等の表面処理結果に影響を与える。
【０００５】
真空アークプラズマ法によるプラズマ処理装置は、例えば、本出願人が既に特開２００８−９１１８４号公報（特許文献１）に開示しているように、陰極とトリガ電極の間に電気スパークを生起し、陰極と陽極の間に真空アークを発生させてプラズマを生成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−９１１８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記プラズマ処理装置においては、特許文献１に記載しているように、プラズマ輸送管路の断面周方向に偏向磁場を発生させて、陰極と陽極の間に発生した真空アークプラズマに印加し、プラズマを回転させながらプラズマ輸送管路を進行させて、回転プラズマビームを被処理物（ワーク）に照射し、拡散せずに効率的な成膜処理を行うにしている。
【０００８】
図１０は真空アークプラズマのビーム形態を模式的に示す。同図（１０Ａ）に示すように、プラズマビームＰＢのビーム断面は一般に真円ではなく、プラズマ密度分布に偏りが生じて拉げた略長円形断面になっている。即ち、プラズマ密度分布は、同図（１０Ｂ）に示すように、短軸Ｘ方向に比べて長軸Ｙの方向に拡がった分布になっている。従って、ワークＷに照射したときには、短軸Ｘ方向に比べて長軸Ｙ方向のビームによる照射領域が大きくなる。
【０００９】
従来のプラズマ流の回転制御は、円軌道を描きながら回転するプラズマ流を生成して、プラズマ進行方向の周りのプラズマの回転角領域のすべての領域においてプラズマの回転速度が等速となっていた。プラズマ密度分布が仮にＸ、Ｙ方向に同等な正規分布をなす場合には、等速円軌道を描く回転プラズマにより、円周に沿って均一な成膜を行えるはずである。しかしながら、上記のようにプラズマ密度分布に偏りがあるため、ワークに照射したビーム照射量が円周に沿って異なってしまい、膜厚が不均一になる問題があった。この不均一の問題点を以下に詳述する。
【００１０】
図１２はプラズマビームを等速回転させたプラズマ回転の様子を模式的に示す。図示の回転プラズマは、円軌道Ｃを描きながらプラズマＰＢ１からＰＢ２、ＰＢ３、ＰＢ４と時計方向に回転している。円軌道Ｃの微小区間ΔＲで各回転角領域を比較すると、等速円軌道下では微小区間ΔＲでの照射時間が一定となるため、プラズマ密度分布の偏りによって、短軸Ｘ方向又は長軸Ｙ方向に沿った領域での成膜の厚さが大きく異なっていた。
【００１１】
図１２において、プラズマＰＢ１とＰＢ３は、短軸Ｘ方向が軌道上にある回転角領域に位置し、互いに１８０°経て向きあった位置にある。プラズマＰＢ２とＰＢ４は、長軸Ｙ方向が軌道上にある回転角領域に位置し、互いに１８０°経て向きあい、且つ、プラズマＰＢ１とＰＢ３とは９０°ずれている。プラズマＰＢ２とＰＢ４がワークに照射されたときは、長軸Ｙ方向に拡がったプラズマ密度分布によりプラズマ照射量が決まる。一方、プラズマＰＢ１とＰＢ３がワークに照射されたときは、長軸Ｙ方向よりも狭い、短軸Ｘ方向のプラズマ密度分布によりプラズマ照射量が決まる。従って、円軌道Ｃを描きながらプラズマＰＢ１からＰＢ２、ＰＢ３、ＰＢ４に等速回転する回転プラズマを照射した場合には、プラズマＰＢ１及びＰＢ３と、プラズマＰＢ２及びＰＢ４とでは明確な成膜厚さの違いが生じた。勿論、円軌道Ｃ全体としても成膜箇所での厚さの斑が生じて、良好なプラズマ処理を行えなかった。かかる成膜厚さの斑はプラズマ密度分布の偏りの影響を受けてバラつくため、所望のプラズマ処理を実行するための回転プラズマ制御自体が困難となっていた。
【００１２】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、回転プラズマによるプラズマ処理を安定且つ制御可能にして、プラズマ処理の品質を向上させることのできるプラズマ流生成方法、プラズマ処理方法、プラズマ発生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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の形態は、プラズマ構成物質の供給源を陰極とし、前記陰極の前方又は周囲に陽極を設け、前記アーク放電の発生により前記陰極と前記陽極間にアークプラズマを発生させ、回転磁場によりプラズマ進行方向の周りに回転させたプラズマ流を生成するプラズマ流生成方法において、前記プラズマ進行方向の周りのプラズマの回転角領域を２以上に分割し、それぞれの回転角領域におけるプラズマの回転速度を異ならせたプラズマ流生成方法である。
【００１４】
本発明の第２の形態は、第１形態において、プラズマ流通経路に設けたＸ方向磁場を発生させ、且つ前記Ｘ方向と直交するＹ方向磁場を発生させて、前記回転角領域に応じてＸ方向磁場及び／又はＹ方向磁場を可変して、前記回転角領域におけるプラズマの前記回転速度を異ならせて、円軌道、楕円軌道又は螺旋軌道を描くプラズマ流を生成するプラズマ流生成方法である。
【００１５】
本発明の第３の形態は、第1又は第２形態において、前記回転角領域を４ｎ（ｎ：正の整数）個に分割したプラズマ流生成方法である。
【００１６】
本発明の第４の形態は、第１、第２又は第３形態に係るプラズマ流生成方法により生成したプラズマ流を被処理物に与えてプラズマ処理を行うプラズマ処理方法である。
【００１７】
本発明の第５の形態は、第４形態において、前記被処理物の内周部と外周部に成膜するとき、前記回転速度の異なる回転角領域を備えたプラズマ流により、前記内周部と前記外周部における膜厚が異なるようにプラズマ処理を行うプラズマ処理方法である。
【００１８】
本発明の第６の形態は、プラズマ構成物質の供給源を陰極とし、前記陰極の前方又は周囲に陽極を設け、前記アーク放電の発生により前記陰極と前記陽極間にアークプラズマを発生させ、プラズマ流を回転磁場によりプラズマ進行方向の周りに回転させるプラズマ発生装置において、前記プラズマ進行方向の周りのプラズマの回転角領域を２以上に分割し、それぞれの回転角領域におけるプラズマの回転速度を異ならせたプラズマ発生装置である。
【００１９】
本発明の第７の形態は、第６形態において、プラズマ流通経路に設けたＸ方向磁場を発生するＸ方向磁場発生手段と、前記Ｘ方向と直交するＹ方向磁場を発生するＹ方向磁場発生手段とを備え、前記回転角領域に応じてＸ方向磁場及び／又はＹ方向磁場を可変して、前記回転角領域におけるプラズマの前記回転速度を異ならせて、円軌道、楕円軌道又は螺旋軌道を描くプラズマ流を発生するプラズマ発生装置である。
【００２０】
本発明の第８の形態は、第６又は第７形態のいずれかにおいて、前記回転角領域を４ｎ（ｎ：正の整数）個に分割したプラズマ発生装置である。
【００２１】
本発明の第９の形態は、第６、第７又は第８形態に係るプラズマ発生装置と、前記プラズマ発生装置により発生されたプラズマを輸送するプラズマ輸送管と、前記プラズマ輸送管から供給されるプラズマにより被処理物を処理するプラズマ処理部を有するプラズマ処理装置である。
【００２２】
本発明の第１０の形態は、第９形態において、前記被処理物の内周部と外周部に成膜するとき、前記回転速度の異なる回転角領域を備えたプラズマ流により、前記内周部と前記外周部における膜厚が異なるようにするプラズマ処理装置である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、上記課題につき鋭意研究した結果、プラズマ密度分布の偏りに起因して、単純な等速円軌道を描く回転プラズマ流では膜成長の均一化を達成できない点に着目してなされたものである。即ち、本発明の第１の形態によれば、前記プラズマ進行方向の周りのプラズマの回転角領域を２以上に分割し、それぞれの回転角領域におけるプラズマの回転速度を異ならせるので、従来の等速円軌道（図１２参照）と異なり、プラズマ密度分布に偏りがあっても、分割された回転角領域でのプラズマ照射時間を可変して、成膜処理を安定的に制御することが可能となり、プラズマ処理の品質を向上させることができる。
【００２４】
第２形態によれば、プラズマ流通経路に設けたＸ方向磁場を発生させ、且つ前記Ｘ方向と直交するＹ方向磁場を発生させて、前記回転角領域に応じてＸ方向磁場及び／又はＹ方向磁場を可変して、前記回転角領域におけるプラズマの前記回転速度を異ならせて、円軌道、楕円軌道又は螺旋軌道を描くプラズマ流を生成するので、プラズマの照射条件に応じた所望のプラズマ照射形態での成膜処理を行うことができる。
【００２５】
本発明の第３の形態によれば、前記回転角領域を４ｎ（ｎ：正の整数）個に分割したので、例えば、プラズマ流通管路の外周にＸ方向磁場と、Ｘ方向と直交するＹ方向磁場を発生させる磁場発生手段を設けることにより、４ｎ（ｎ：正の整数）個に分割した夫々の回転角領域におけるプラズマの回転速度を異ならせて、プラズマ密度分布に偏りがあっても、多分割された回転角領域でのプラズマ照射時間を可変して、成膜処理を安定的に制御することができる。
【００２６】
本発明の第４の形態によれば、第１、第２又は第３形態に係るプラズマ流生成方法により生成したプラズマ流を被処理物に与えてプラズマ処理を行うので、前記プラズマ流生成方法により各回転角領域における回転速度を異ならせた回転プラズマ流として前記被処理物にプラズマを照射して、成膜厚さに斑を生じさせることなく成膜処理を安定的に制御して高品質のプラズマ処理を行うことができる。
【００２７】
本発明においては、多分割された回転角領域でのプラズマ照射時間を可変して、成膜処理を安定的に制御することができるので、被処理物全体に均質な成膜処理を行うことができるだけでなく、被処理物の内外周間でもプラズマ照射時間を可変して、成膜厚さに所望の高低差を正確に付与するプラズマ処理を一工程で行うことができる。即ち、本発明の第５の形態によれば、前記被処理物の内周部と外周部に成膜するとき、前記回転速度の異なる回転角領域を備えたプラズマ流により、前記内周部と前記外周部における膜厚が異なるようにするので、例えば、ハードディスクドライブ用のメディアを被処理物として、内周側のデータゾーンよりも耐久性が要求される外周側のロード・アンロードゾーンを厚く膜形成する場合に、従来では、ディスク全体を一旦成膜した後、再度外周部を厚く成膜する２工程を要するに対して、単一のプラズマ処理工程により内外周の成膜厚さに所望の高低差を高品質に付与するプラズマ処理を行うこともできる。
【００２８】
本発明の第６の形態によれば、前記プラズマ進行方向の周りのプラズマの回転角領域を２以上に分割し、それぞれの回転角領域におけるプラズマの回転速度を異ならせるので、プラズマ密度分布に偏りがあっても、分割された回転角領域でのプラズマ照射時間を可変して、成膜処理を安定的に制御することができ、プラズマ処理の品質を向上させることのできるプラズマ発生装置の提供が可能となる。
【００２９】
本発明の第７の形態によれば、プラズマ流通経路に設けたＸ方向磁場を発生するＸ方向磁場発生手段と、前記Ｘ方向と直交するＹ方向磁場を発生するＹ方向磁場発生手段とを備え、前記回転角領域に応じてＸ方向磁場及び／又はＹ方向磁場を可変して、前記回転角領域におけるプラズマの前記回転速度を異ならせて、円軌道、楕円軌道又は螺旋軌道を描くプラズマ流を発生するので、プラズマの照射条件に応じた所望のプラズマ照射形態での成膜処理を行うことのできるプラズマ発生装置の提供が可能となる。
【００３０】
本発明の第８の形態によれば、前記回転角領域を４ｎ（ｎ：正の整数）個に分割したので、例えば、前記Ｘ方向磁場発生手段及び前記Ｙ方向磁場発生手段に偏向磁場コイルを用い、前記偏向コイルの通電制御を周回位置で調整することにより、４ｎ（ｎ：正の整数）個に分割した夫々の回転角領域におけるプラズマの回転速度を異ならせて、プラズマ密度分布に偏りがあっても、多分割された回転角領域でのプラズマ照射時間を可変して、成膜処理の安定的制御が可能なプラズマ発生装置を実現することができる。
【００３１】
本発明の第９の形態によれば、第６、第７又は第８形態に係るプラズマ発生装置によって、多分割された回転角領域に応じて照射時間を可変した回転プラズマを発生させ、前記プラズマ輸送管を経由して前記プラズマ処理部に供給して該回転プラズマによる成膜処理等を行えるので、高品質のプラズマ処理を行うことができる。
【００３２】
本発明の第１０の形態によれば、前記被処理物の内周部と外周部に成膜するとき、前記回転速度の異なる回転角領域を備えたプラズマ流により、前記内周部と前記外周部における膜厚が異なるようにするので、例えば、ハードディスクドライブ用のメディアを被処理物として、内周側のデータゾーンよりも耐久性が要求される外周側のロード・アンロードゾーンを厚く膜形成する場合に、従来では、ディスク全体を一旦成膜した後、再度外周部を厚く成膜する２工程を要するに対して、単一のプラズマ処理工程により内外周の成膜厚さに所望の高低差を高品質に付与するプラズマ処理を行えるプラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態に係るプラズマ発生装置が設置されたプラズマ処理装置の断面概略構成図である。
【図２】前記プラズマ処理装置の制御ブロック図である。
【図３】プラズマ回転用磁場発生器３７の構成及びプラズマ回転用磁場発生器３７により発生される回転磁場を示す図である。
【図４】単純な円を描くための電流制御波形図及び円形リサージュ図である。
【図５】本実施形態の周波数可変によるパルス電流波形図である。
【図６】図５の４分割による円形リサージュ図である。
【図７】本発明に係る回転プラズマ制御の基本フローチャートである。
【図８】螺旋軌道用パルス電流の波形図及びそれによる螺旋軌道を描く回転プラズマのリサージュ図である。
【図９】別の螺旋軌道用パルス電流の波形図及びそれによる螺旋軌道を描く回転プラズマのリサージュ図である。
【図１０】真空アークプラズマのビーム形態を模式的に示す図である。
【図１１】プラズマ回転用磁場発生器３７により生起される回転プラズマ流を説明するための図である。
【図１２】従来のプラズマ回転の様子を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の実施形態に係るプラズマ発生装置及びプラズマ処理装置を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００３５】
図１は本発明に係るプラズマ発生装置１が設置されたプラズマ処理装置の断面概略構成図である。プラズマ発生部４には、プラズマ構成物質の供給源を陰極（ターゲット）２とし、陰極２の前方側には筒状の陽極３が配設されている。プラズマ発生部４には、トリガ電極のストライカ５、アーク電源１１、陰極プロテクタ１２、プラズマ安定化磁界発生器（電磁コイル若しくは磁石）１３を備えている。ストライカ５は陰極２に対し接近・後退可能に、回動自在に配設されている。真空雰囲気下で陰極２とストライカ５の間に電気スパークを生起し、陰極２と陽極３の間に真空アークを発生させてプラズマが生成される。
【００３６】
本実施形態に係るプラズマ処理装置においては、本発明のプラズマ流生成方法により生成した回転プラズマ流をプラズマ処理室２８に導入してプラズマ処理が行われる。かかる回転プラズマ流の生成は、陰極２と陽極３の間に発生させたプラズマを、プラズマ流通経路を通じてプラズマ処理室２８のプラズマ流入口に配置した排出側縮径管２７に導き、回転磁場を与えてプラズマ進行方向の周りに回転させて行われる。このとき、回転磁場制御により前記プラズマ進行方向の周りのプラズマの回転角領域を２以上に分割し、それぞれの回転角領域におけるプラズマの回転速度を異ならせた回転プラズマ流が生成され、破線Ｃ１に示すプラズマ流入口に向けてプラズマ処理室２８内に導入される。回転プラズマ流の回転形態としては、回転磁場制御に応じて円軌道、楕円軌道又は螺旋軌道を描くプラズマ流を発生させることができ、プラズマの照射条件に応じた所望のプラズマ照射形態での成膜処理を行うことができる。
【００３７】
陰極２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。陽極３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物質を使用することができる。プラズマ発生部４における真空アーク放電によりターゲット材料イオン、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）の大きさの陰極材料微粒子（以下「ドロップレットＤ」と称する）も放出される。生成されたプラズマは、プラズマ進行路６を進行し、屈曲部７において屈曲磁場発生器８、８により形成された磁場によって、連結進行路１４に向け角度θ屈曲されて、連結進行路１４へ進行する。このとき、ドロップレットＤは、電気的に中性であり磁場の影響を受けないため、ドップレット進行路９を直進し、ドロップレット捕集部１０に捕集される。なお、ドップレット進行路９等の各進行路の内壁には、ドロップレットＤが衝突して付着するバッフル１５、１６、１７、１８及び２６が設けられている。なお、プラズマ進行路６の始端側にはプラズマ進行磁場を発生させる磁場発生器１９が設置されている。
【００３８】
連結進行路１４は内壁に複数個のバッフル１６が設けられた管路からなり、プラズマ進行路２０を形成する拡径管２１に連接されている。連結進行路１４には、拡径管２１のプラズマ導入側始端２１ａに連接された導入側縮径管２２が含まれ、連結進行路１４中央の導入側縮径管２２との段差部には、ドロプレット捕集用アパーチャー２５が設けられている。連結進行路１４の始端側及び導入側縮径管２２には夫々、プラズマ進行磁場を発生させる磁場発生器２３、２４が設置されている。導入側縮径管２２の内壁には複数個のバッフル２６が設けられている。
【００３９】
拡径管２１のプラズマ排出側終端２１ｂには、排出側縮径管２７が連接されている。排出側縮径管２７の出口はプラズマ処理室（プラズマ処理部）２８に連結され、その連結部にはアパーチャー３１が設けられている。排出側縮径管２７には、プラズマ進行磁場を発生させる磁場発生器３０及びプラズマ回転用磁場発生器３７が設置されている。プラズマ処理室２８内には、排出側縮径管２７から導入されたプラズマが照射される位置に、被処理物２９が設置されている。
【００４０】
拡径管２１は、内周管３２と外周管３３からなり、導入側縮径管２２及び排出側縮径管２７に対して傾斜配置されている。外周管３３はプラズマ流の進行に関与せず、内周管３２の保護部材である。内周管３２は、絶縁リングなどの絶縁材を介して外周管３３内に取着されて、内周管３２と外周管３３とは電気的に絶縁されている。内周管３２の壁面には複数個のバッフル１７が設けられている。外周管３３の外周にはプラズマ進行磁場を発生させる直進磁場発生器３６が設置されている。直進磁場発生器３６は外周管３３の外周の外周に巻回された電磁コイルから構成される。
【００４１】
図１において、破線Ａはプラズマの進行方向を示す。連結進行路１４を通過したプラズマは導入側縮径管２２を経てプラズマ進行路２０の拡径管２１内を進行する。このとき、残存するドロップレットＤがバッフル１７に衝突して付着し、除去される。更に、プラズマはプラズマ進行路２０から屈曲して排出側縮径管２７に導入され、破線Ｃ１に示すように、排出側縮径管２７を通じてプラズマ処理室２８に導入される。
【００４２】
導入側縮径管１４より拡径管２１内に導入されたプラズマ流が拡径管２１によるプラズマ進行路の拡径作用により拡散される。プラズマ流に混入しているドロップレットは直進するから、傾斜配置された拡径管２１の管内壁面に衝突しながら拡散する。この拡散によりプラズマ流の中心部分ではドロップレットが減少し、プラズマ流体の外周に多くドロップレットが分布する状態に遷移する。この分布変化により、拡径管２１前後の段差部３４、３５付近及び内周管３２の内壁面に向かって、ドロップレットが衝突して付着、回収される。更に、プラズマ排出側終端２１ｂに屈曲して連接された排出側縮径管２７に排出される際、矢印Ｂ方向に直進するドロップレットがバッフル１８に衝突して付着し、除去される。
【００４３】
プラズマ処理室２８には、ガス導入システム（図示せず）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（図示せず）により反応ガスやプラズマ流が排気される。なお、本実施形態では、プラズマ発生部４とプラズマ処理室２８の間に複数に屈曲した進行路を設けてプラズマ流通経路を構成しているが、本発明はこれに限らず略Ｌ字状の進行路等を備えた各種プラズマ処理装置に適用することができる。
【００４４】
図２は本実施形態のプラズマ処理装置の制御ブロック図を示す。図２では、主に、本発明に係るプラズマ回転に必要な制御回路を示し、ストライカ駆動制御回路、直進磁場制御回路等は省略している。
プラズマ処理装置の制御部はプログラマブルロジックコントローラ(ＰＬＣ)１００により構成されている。ＰＬＣ１００にはタッチパネルディスプレイ１０１が接続され、タッチパネルディスプレイ１０１により表示出力および設定入力が可能となっている。ＰＬＣ１００には、プラズマ回転制御プログラムが格納されており、そのプラズマ回転制御プログラムに基づき駆動制御されるパルスジェネレータ１０３が接続されている。パルスジェネレータ１０３のパルス出力はＤＣサーボアンプ１０３ａ、１０３ｂを介して振動磁場発生器３７ａ及び振動磁場発生器３７ｂに与えられる。また、ＰＬＣ１００には、直流安定化電源１０２が接続され、直流安定化電源１０２の電源出力は直進磁場発生器３０に与えられる。
【００４５】
図３は、プラズマ回転用磁場発生器３７の構成及びプラズマ回転用磁場発生器３７により発生される回転磁場を示す。
磁場発生器３７は、Ｘ軸方向の振動磁場ＢＸを発生させる振動磁場発生器３７ａ及びＹ軸方向の振動磁場ＢＹを発生させる振動磁場発生器３７ｂからなり、これらの磁場発生器は拡径管２１に対して、振動磁場ＢＸと振動磁場ＢＹが直交するように配設されている。Ｚ軸方向の直進磁場ＢＺは直進磁場発生器３６により形成される。本発明の回転磁場発生手段の具体例として、振動磁場発生器３７ａ及び振動磁場発生器３７ｂの組合せが挙げられ、回転磁場は振動磁場ＢＸと振動磁場ＢＹの合成磁場からなる。振動磁場発生器３７ａ及び振動磁場発生器３７ｂは偏向磁場を発生させる電磁コイル（以下偏向コイルという。）からなる。また、直進磁場発生器３０は排出側縮径管２７の外周に巻回された電磁コイルから構成される。
【００４６】
（３Ｂ）は、振動磁場発生器３７ａによる時刻ｔの振動磁場ＢＸ（ｔ）、振動磁場発生器３７ｂによる時刻ｔの振動磁場ＢＹ（ｔ）及び時刻ｔの回転磁場ＢＲ（ｔ）の関係を示す。図３では、拡径管２１におけるプラズマ流が通過する１つの位置に印加される磁場を示し、直進磁場ＢＺは定常磁場としている。直進磁場を時間と共に変化させることもできる。時刻ｔ＝ｔ１における振動磁場ＢＸ（ｔ１）及びＢＹ（ｔ１）から回転磁場ＢＲ（ｔ１）が合成される。
【００４７】
（３Ｂ）及び（３Ｃ）（時刻表記（ｔ）を省略）に示すように、前記回転磁場ＢＲと直進磁場ＢＺから合成磁場Ｂが合成され、前記ドロップレット混合プラズマ９は、合成磁場Ｂの方向に屈曲されて前記排出側縮径管２７を進行する。同様に、（３Ａ）では、時刻ｔ＝ｔ２における振動磁場ＢＸ（ｔ２）及びＢＹ（ｔ２）から回転磁場ＢＲ（ｔ２）が合成される。即ち、時刻ｔがｔ１からｔ２に進むと、振動磁場ＢＸ（ｔ１）、ＢＹ（ｔ１）が振動磁場ＢＸ（ｔ２）、ＢＹ（ｔ２）に変化し、前記回転磁場ＢＲ（ｔ）がＢＲ（ｔ１）からＢＲ（ｔ２）へ回転する。従って、振動磁場発生器３７ａ、３７ｂに通電するパルス電流の位相差、振動数及び電流量を調整し、振動磁場ＢＸ（ｔ）、ＢＹ（ｔ）を制御することにより、所望の回転磁場ＢＲ（ｔ）を発生させることができる。尚、以下では時刻表記（ｔ）を省略して、振動磁場ＢＸ、ＢＹ及び回転磁場ＢＲと表記する。
【００４８】
（３Ｂ）及び（３Ｃ）には、振動磁場ＢＸ、ＢＹ、直進磁場ＢＺ、回転磁場ＢＲと合成磁場Ｂの関係を示す。（３Ｂ）では、振動磁場ＢＸの振幅ＢＸ0と振動磁場ＢＹの振幅ＢＹ0が同じ値に設定され、位相差９０°の振動磁場ＢＸ、ＢＹが同じ振動数で振動することにより、回転磁場ＢＲが一定強度で回転する。従って、プラズマ流３８は円形に回転しながら排出側縮径管２７を進行する。（３Ｃ）の場合では、振幅ＢＸ0より振幅ＢＹ0が小さく設定され、（３Ｂ）と同様に、位相差９０°の振動磁場ＢＸ、ＢＹを同じ振動数で振動させることにより、（３Ｃ）の回転磁場ＢＲのベクトルは楕円形に回転する。
図１１は排出側縮径管２７内のプラズマ流３８を模式的に示す。
排出側縮径管２７内のプラズマ流３８は上記回転磁場ＢＲの回転作用を受けて湾曲しドロップレットを矢印３９に示す壁側の方向に分離しながら回転プラズマ流となって、プラズマ処理室２８への導入方向Ｃ１に向けて進行していく。
【００４９】
図２に示すように、振動磁場発生器３７ａ及び振動磁場発生器３７ｂの電磁コイルへの通電制御は、夫々、パルスジェネレータ１０３により発生されたパルス信号に基づき通電量を可変するＤＣサーボアンプ１０３ａ、１０３ｂからの電流供給により行われる。パルスジェネレータ１０３は、ＰＬＣ１００によるプラズマ回転制御プログラムの実行に伴い、パルス信号を生成する。直進磁場発生器３０の電磁コイルへの通電制御は、ＰＬＣ１００により駆動制御される直流安定化電源１０２からの電源供給により行われる。
【００５０】
各偏向コイルには、ＤＣサーボアンプ１０３ａ、１０３ｂを通じて、正弦波電流が供給される。正弦波電流の供給によるプラズマ回転制御の原理を以下に、簡単に説明する。
正弦波電流をＡｍｓｉｎ２πｆｔ（Ａｍ：振幅、ｆ：周波数、ｔ：時間）で表すと、この正弦波電流を偏向コイルに流したとき、偏向コイルより形成される磁場は、２πｆ＝ｎπのときに０であり、２πｆ＝ｎπ／２のときにはｎが奇数であれば１、偶数であれば−１となるように磁場の向きが変わる。図４の（４Ａ）に示すように、例えば、各偏向コイルに、振幅が同じで位相の異なるｓｉｎ２πｆｔ、ｃｏｓ２πｆｔ波形電流を与えると、プラズマ流はｓｉｎ２πｆｔ、ｃｏｓ２πｆｔのリサージュ図形、つまり、図４の（４Ｂ）に示すように、円形を描くように回転する。なお、既に問題点として掲げたように、周波数ｆを一定にして円軌道を描きながらプラズマを回転させた場合には、プラズマ進行方向の周りのプラズマの回転角領域のすべての領域においてプラズマの回転速度が等速となってしまう。
【００５１】
本発明においては、プラズマの周回速度はＤＣサーボアンプ１０３ａ、１０３ｂからのパルス電流の周波数ｆにより決定されることに着眼し、プラズマ進行方向の周りのプラズマの回転角領域を２以上に分割し、それぞれの回転角領域におけるプラズマの回転速度を異ならせる電流制御を行う。前記回転角領域は４ｎ（ｎ：正の整数）個に分割して行われる。
【００５２】
本実施形態は回転角領域を４分割した場合である。
図５は本実施形態の周波数可変によるパルス電流波形を示す。４象限Ｚ１〜Ｚ４における各周波数は７、１５、６、２０Ｈｚに設定されている。この周波数可変設定により、４分割された回転角領域におけるプラズマの回転速度を異ならせることができる。従来では、いずれの象限においてもパルス電流の周波数ｆを一定値、例えば１０Ｈｚにしているため、上記のように、プラズマの回転速度が等速となっていたが、本実施形態によれば、分割された回転角領域でのプラズマ照射時間を可変して、プラズマ密度分布に偏りがあっても、成膜処理を安定的に制御することができ、プラズマ処理の品質を向上させることができる。
【００５３】
図６は、図５の４分割によるリサージュ図形を示す。プラズマ流は円形を描くように回転するものの、４象限Ｚ１〜Ｚ４における回転速度が異なっている。つまり、第１象限Ｚ１、第３象限Ｚ３では周回速度が遅く、第２象限Ｚ２、第４象限Ｚ４では速い周回速度になっている。図６では、象限Ｚ２、Ｚ４の速い周回速度をドット表示で図示している。
【００５４】
図６において、Ｐ１〜Ｐ４はプラズマ密度分布に偏りのあるプラズマ流の各象限における周回位置を示す。Ｐ１とＰ３は、短軸Ｘ方向が軌道上にある回転角領域に位置し、互いに１８０°経て向きあった位置にある。プラズマＰ２とＰ４は、長軸Ｙ方向が軌道上にある回転角領域に位置し、互いに１８０°経て向きあい、且つ、プラズマＰ１とＰ３とは９０°ずれている。プラズマＰ２とＰ４がワークに照射されたときは、長軸Ｙ方向に拡がったプラズマ密度分布によりプラズマ照射量が決まる。一方、プラズマＰ１とＰ３がワークに照射されたときは、長軸Ｙ方向よりも狭い、短軸Ｘ方向のプラズマ密度分布によりプラズマ照射量が決まる。本実施形態では、プラズマＰ２とＰ４の周回速度がプラズマＰ１とＰ３よりも速くなっているため、円軌道Ｃを描きながらプラズマＰ１からＰ２、Ｐ３、ＰＢ４に周期的に変速回転する回転プラズマを照射して、第１象限Ｚ１〜第４象限Ｚ４において均一な成膜処理を施すことができる。円軌道全体としても成膜箇所での厚さの斑が生じず、良好なプラズマ処理を行うことができる。しかも、プラズマ密度分布の偏りの影響を受けず、成膜厚さの斑を作ることなく、所望のプラズマ処理を実行するための回転プラズマ制御を周波数可変によって簡易に行うことができる。
【００５５】
図７は本発明に係る回転プラズマ制御の基本フローチャートである。
本発明に係る回転プラズマ生成制御はＰＬＣ１００及びＰＬＣ１００により実行される周波数可変制御の実行プロセスにより構成される。
装置電源の入力により（ステップＳＴ１）、プラズマ処理に先立つ、回転プラズマの諸パラメータの設定処理を行う（ステップＳＴ２）。回転制御パラメータは周波数ｆ及び振幅データからなる。振幅データは後述の多重軌道制御に必要となる。これらの諸パラメータが設定されていれば、回転プラズマにより被処理物への照射処理が実行可能になる（ステップＳＴ３）。
【００５６】
回転制御パラメータの未設定の場合には、周波数ｆの設定を行う（ステップＳＴ４、ＳＴ５）。周波数ｆの設定に際しては、分割数４ｎに応じて各回転角領域の周波数を設定する。ついで、振幅データの設定に移り、多重軌道制御に応じて振幅データを入力設定する（ステップＳＴ６、ＳＴ７）。各種パラメータの設定にはタッチパネルディスプレイ１０１を用いて行うことができる。
【００５７】
従来の等速回転プラズマでは、図１２により説明したように、被処理物に成膜厚さの斑が生じていたが、本発明に係る回転プラズマの生成方法を用いれば、多重軌道を描く回転プラズマ制御を行って成膜の均質化を実現することができる。多重軌道を描く回転プラズマは、ＤＣサーボアンプ１０３ａ、１０３ｂから各偏向コイルに供給されるパルス電流の振幅を時間変化させることにより生成することができる。
図８は螺旋軌道用パルス電流の波形及びそれによる螺旋軌道を描く回転プラズマのリサージュ図である。時間可変振幅のパルス電流を正弦波Ａｍ（ｔ）ｓｉｎ２πｆｔ（Ａｍ（ｔ）：時間可変振幅、ｆ：周波数、ｔ：時間）で表すと、各偏向コイルに供給するＸ方向のパルス電流、Ｙ方向のパルス電流は夫々、Ａｘ（ｔ）ｓｉｎ２πｆｔ、Ａｙ（ｔ）ｃｏｓ２πｆｔとなる。図８の（８Ａ）はＡｘ（ｔ）ｓｉｎ２πｆｔの電流波形の１周期分を示し、繰り返しこの波形のパルス電流の供給が行われる。Ａｙ（ｔ）ｃｏｓ２πｆのパルス電流も位相９０°異なるだけで同様の波形で行われる。（８Ａ）の場合には、振幅ピーク値の軌跡Ａ１がαｔで近似され、振幅は直線的に変化する。従って、Ａｘ（ｔ）ｓｉｎ２πｆｔ、Ａｙ（ｔ）ｃｏｓ２πｆのパルス供給を上記周波数可変制御と共に行うと、周回速度が回転角領域で異なり、しかも螺旋軌道を描く回転プラズマを生成することができる。即ち、（８Ａ）の時間可変振幅のパルス電流供給によって、図８の（８Ｂ）のリサージュ図に示すように、内外周を一定時間間隔で螺旋軌道に沿って回転していく回転プラズマを得ることができる。
【００５８】
図９は別の螺旋軌道用パルス電流の波形及びそれによる螺旋軌道を描く回転プラズマのリサージュ図である。図９の（９Ａ）は、（８Ａ）と同様に、正弦波の電流波形の１周期分を示し、繰り返しこの波形のパルス電流の供給が行われる。（９Ａ）の場合には、振幅ピーク値の軌跡Ａ２がｌｏｇｔで近似され、振幅は曲線的に変化する。従って、係る電流波形のＡｘ（ｔ）ｓｉｎ２πｆｔ、Ａｙ（ｔ）ｃｏｓ２πｆのパルス供給を上記周波数可変制御と共に行うと、周回速度が回転角領域で異なり、しかも、図８の場合とは別の螺旋軌道を描く回転プラズマを生成することができる。即ち、（８Ｂ）の回転プラズマは内外周を一定時間間隔で螺旋軌道に沿って回転していくが、（９Ｂ）に示すように、外周側で濃密な螺旋軌道を描く回転プラズマを得ることができる。係る螺旋軌道を描く回転プラズマを用いれば、被処理物の内周部と外周部における膜厚が異なるように成膜形成することが可能になる。例えば、ハードディスクドライブ用のメディアを被処理物として、内周側のデータゾーンよりも耐久性が要求される外周側のロード・アンロードゾーンを厚く膜形成する場合に、従来では、ディスク全体を一旦成膜した後、再度外周部を厚く成膜する２工程を要するに対して、単一のプラズマ処理工程により、内外周の成膜厚さに所望の高低差を高品質に付与するプラズマ処理を行うことができる。
なお、振幅を曲線的に変化させるには、振幅ピーク値の軌跡をｅｘｐ（ｔ）で近似してもよい。
【００５９】
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。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明によれば、回転プラズマを用いたプラズマ処理の制御が可能になり、プラズマ処理の品質向上に寄与する。従って、例えば、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均質に形成したり、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るので、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。
【符号の説明】
【００６１】
１        プラズマ発生装置
２        陰極
３        陽極
４        プラズマ発生部
５        ストライカ
６        プラズマ進行路
７        屈曲部
８        屈曲磁場発生器
９        ドップレット進行路
１０      ドロップレット捕集部
１１      アーク電源
１２      陰極プロテクタ
１３      プラズマ安定化磁界発生器
１４      連結進行路
１５      バッフル
１６      バッフル
１７      バッフル
１８      バッフル
１９      磁場発生器
２０      プラズマ進行路
２１      拡径管
２１ａ    始端
２１ｂ    始端
２２      導入側縮径管
２３      磁場発生器
２４      磁場発生器
２５      アパーチャー
２６      バッフル
２７      排出側縮径管
２８      プラズマ処理室
２９      被処理物
３０      磁場発生器
３１      アパーチャー
３２      内周管
３３      外周管
３４      段差部
３５      段差部
３６      磁場発生器
３７      磁場発生器
３８      プラズマ流
３９      矢印
１００    ＰＬＣ
１０１    タッチパネルディスプレイ
１０２    直流安定化電源
１０３    パルスジェネレータ
１０３ａ  ＤＣサーボアンプ
１０３ｂ  ＤＣサーボアンプ
【図１】
0005606777.tif 000002
【図２】
0005606777.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0005606777.tif 000007
【図７】
0005606777.tif 000008
【図８】
0005606777.tif 000009
【図９】
0005606777.tif 000010
【図１０】
0005606777.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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