(57)【要約】【課題】拡散プラズマにより陽極内壁に付着、堆積した堆積物が剥落して陰極と陽極間を短絡することを防止することができる陽極壁多分割型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。【解決手段】陰極２と陽極３の間で発生したプラズマＰが陰極２より前方に向けて放出され、拡散する際、拡散物質４１が電極筒体内壁に再結晶化して付着、堆積して、カーボンフレーク４０として剥落する。電極筒体内壁を縦横の溝３７、３８によってマトリクス状に多分割されている。多数の突部３５の堆積物分離作用により、拡散プラズマが陽極３に付着、堆積しても、堆積物が微細化され、大型乃至長尺状の堆積物が生じない。小片の突部３９から微細片としてのカーボンフレーク４０が剥落して、堆積物が剥落して陰極２と陽極３に跨って架橋することがなく、両極間の短絡現象の発生を防止することができる。【選択図】図３
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【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筒状の陽極を設け、真空雰囲気下で前記陰極と前記陽極間において真空アーク放電を行って前記陰極表面からプラズマを発生させるプラズマ発生装置において、前記陽極を形成する筒内壁に多数の凹凸を設け、前記陰極から前記陽極側に放出された前記プラズマの一部が前記凹凸に付着して堆積したとき、前記堆積物が微細片として前記陽極から剥落することを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項２】
前記凹凸の突部の最長長さを前記筒内壁と前記陰極外周との間の隙間の幅より短くした請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項３】
多数の前記凹凸を格子状、斜交状、島状のパターンのいずれかにより形成した請求項１又は２に記載のプラズマ発生装置。
【請求項４】
前記陽極を形成する筒内壁のうち、前記陰極に近い領域を前記凹凸パターンの形成領域とし、残りの筒内壁に、複数の環状溝を前記陰極の前方方向に刻設した環状溝パターンを形成した請求項１、２又は３に記載のプラズマ発生装置。
【請求項５】
前記陰極の周囲に環状凹所を形成し、前記陽極から剥落した前記微細片を前記凹所に貯留、回収する請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
【請求項６】
前記陰極の下方に前記微細片の貯留部を設けると共に、前記陰極の周囲に前記貯留部に連通する開放部を形成し、前記陽極から剥落した前記微細片を前記開放部を通じて前記貯留部に貯留、回収する請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
【請求項７】
前記請求項１〜６のいずれか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８】
前記陽極の筒体のプラズマ出口と前記プラズマ輸送管の間に始端側絶縁体を介装し、前記プラズマ輸送管と前記プラズマ処理部の間に終端側絶縁体を介装して、前記プラズマ発生装置、前記プラズマ輸送管及び前記プラズマ処理部を相互に電気的に独立させ、前記プラズマ輸送管に対する前記プラズマ発生装置及び前記プラズマ処理部からの電気的影響を遮断した請求項７に記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】
前記プラズマ輸送管は、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請求項７又は８に記載の絶縁体介装型プラズマ処理装置。
【請求項１０】
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７、８又は９に記載の絶縁体介装型プラズマ処理装置。
【請求項１１】
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９又は１０に記載の絶縁体介装型プラズマ処理装置。
【請求項１２】
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８〜１１のいずれかに記載の絶縁体介装型プラズマ処理装置。
【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筒状の陽極を設け、真空雰囲気下で前記陰極と前記陽極間において真空アーク放電を行って前記陰極表面からプラズマを発生させるプラズマ発生装置及び前記陽極を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。詳細には、本発明は、陽極壁多分割型プラズマ発生装置及びそれを用いた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。
【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】
特開２００２−８８９３号公報（特許文献１）には従来のプラズマ加工装置が開示されている。図２１は、特許文献１に係る、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２００では、陰極２０１とトリガ電極２０２の間に電気スパークを生起し、陰極２０１と陽極２０３の間に真空アークを発生させてプラズマ２０４が生成される。プラズマ発生部２００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２０５が接続され、プラズマ２０４を安定化させるプラズマ安定化磁場発生器２０６、２０７が配設されている。プラズマ２０４はプラズマ発生部２００からプラズマ処理部２０８に誘導され、プラズマ処理部２０８に配置された被処理物２０９がプラズマ２０４により表面処理される。また、プラズマ処理部２０８に接続されるガス導入システム２１０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２１１により反応ガスやプラズマ流が排気される。
【０００６】
プラズマ発生部２００から放出されるプラズマ２０４は、磁場によりプラズマ発生部２００と対面しない方向にＴ字状に屈曲され、プラズマ処理部２０８に流入される。プラズマ発生部２００と対面する位置には、プラズマ２０４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）２１３が捕集されるドロップレット捕集部２１２が配設されている。磁場の影響を受けないドロップレット２１３はドロップレット捕集部２１２に進行して捕集され、ドロップレット２１３のプラズマ処理部２０８内への進入が防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−８８９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のプラズマ加工装置においては、陰極２０１の前方側に延設された筒状の電極筒体２１４で構成された陽極２０３が使用されている。
図２２は従来の電極筒体２１４の内壁面を示す。陽極２０３を管内面全体にすると、陰極２０１との間で真空アークが発生しにくくなるため、電極筒体２１４の内壁には陰極２０１との間で真空アークを円滑に発生しやすくするために、環状の溝２１５を複数刻設してリング状の突部２１６を多数設けている。
【０００９】
陰極２０１と陽極２０３の電極筒体２１４との間で発生したプラズマが陰極２０１より前方に向けて放出され、拡散する際、真空アークプラズマ構成粒子のうち、主にカーボン（Ｃ）粒子等の拡散物質２１８が電極筒体２１４の内壁に再結晶化して付着、堆積していく。特に、突部２１６表面において再結晶化が進むと、堆積物がフレーク状に剥離し、陰極２０１側に剥落する。しかしながら、突部２１６が環状形状を有するために、図２２に示すように、突部２１６の円弧部分２１９から、長尺状に堆積したカーボンフレーク２２０が剥落し、陰極２０１側に落下したときに、カーボンフレーク２２０の一端が陰極２０１の上面２１７に架橋状に引っ掛かり、他端が陽極２０３に接触して、陰極２０１と陽極２０３間を短絡させてしまう問題を生じた。
【００１０】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、拡散プラズマにより陽極内壁に付着、堆積した堆積物が剥落して陰極と陽極間を短絡することを防止することができる陽極壁多分割型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】
【００１１】
本発明者は、上記環状突部による大型カーボーンフレークの剥落現象によって生ずる短絡問題を解消すべく鋭意研究した結果、陽極内壁を多分割化することによりカーボーンフレークの微細化に成功し、課題を解決するに到った。
【００１２】
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筒状の陽極を設け、真空雰囲気下で前記陰極と前記陽極間において真空アーク放電を行って前記陰極表面からプラズマを発生させるプラズマ発生装置において、前記陽極を形成する筒内壁に多数の凹凸を設け、前記陰極から前記陽極側に放出された前記プラズマの一部が前記凹凸に付着して堆積したとき、前記堆積物が微細片として前記陽極から剥落するプラズマ発生装置である。
【００１３】
本発明の第２の形態は、第１形態において、前記凹凸の突部の最長長さを前記筒内壁と前記陰極外周との間の隙間の幅より短くしたプラズマ発生装置である。
【００１４】
本発明の第３の形態は、第１又は第２形態において、多数の前記凹凸を格子状、斜交状、島状のパターンのいずれかにより形成したプラズマ発生装置である。
【００１５】
本発明の第４の形態は、第１、第２又は第３形態において、前記陽極を形成する筒内壁のうち、前記陰極に近い領域を前記凹凸パターンの形成領域とし、残りの筒内壁に、複数の環状溝を前記陰極の前方方向に刻設した環状溝パターンを形成したプラズマ発生装置である。
【００１６】
本発明の第５の形態は、第１〜第４形態のいずれかにおいて、前記陰極の周囲に環状凹所を形成し、前記陽極から剥落した前記微細片を前記凹所に貯留、回収するプラズマ発生装置である。
【００１７】
本発明の第６の形態は、前記第１〜第５形態のいずれかにおいて、前記陰極の下方に前記微細片の貯留部を設けると共に、前記陰極の周囲に前記貯留部に連通する開放部を形成し、前記陽極から剥落した前記微細片を前記開放部を通じて前記貯留部に貯留、回収するプラズマ発生装置である。
【００１８】
本発明の第７の形態は、第１〜第６形態のいずれか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。
【００１９】
本発明の第８の形態は、第７形態において、前記陽極の筒体のプラズマ出口と前記プラズマ輸送管の間に始端側絶縁体を介装し、前記プラズマ輸送管と前記プラズマ処理部の間に終端側絶縁体を介装して、前記プラズマ発生装置、前記プラズマ輸送管及び前記プラズマ処理部を相互に電気的に独立させ、前記プラズマ輸送管に対する前記プラズマ発生装置及び前記プラズマ処理部からの電気的影響を遮断したプラズマ処理装置である。
【００２０】
本発明の第９の形態は、第７又は第８形態において、前記プラズマ輸送管は、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プラズマ処理装置である。
【００２１】
本発明の第１０の形態は、第７、第８又は第９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処理装置である。
【００２２】
本発明の第１１の形態は、第９又は第１０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処理装置である。
【００２３】
本発明の第１２の形態は、第８〜第１１形態のいずれかにおいて、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処理装置である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の第１の形態によれば、前記陽極を形成する筒内壁に多数の前記凹凸を設けて多分割し、多数の前記凹凸の堆積物分離作用により、拡散プラズマが前記陽極に付着、堆積しても、大型乃至長尺状の堆積物が生じず、微細片としての前記堆積物が前記陽極から剥落するので、前記堆積物が剥落して前記陰極と前記陽極に跨って架橋することがなく、両極間の短絡現象の発生を防止することができ、プラズマ発生装置の安定駆動と稼働効率の向上に寄与する。
本発明における陽極の配置は陰極の前方に位置する場合あるいは陰極の一部又は全部を包囲する配置形態で実施することができる。また、陽極の筒体構造は内径一定の管状のものに限らず、円錐台形の内壁構造のものにも本発明を適用することができる。
【００２５】
カーボーンフレークの堆積物は前記凹凸の突部表面の大きさに関連して成長するものである。従って、本発明の第２の形態によれば、前記凹凸の突部の最長長さを前記筒内壁と前記陰極外周との間の隙間の幅より短くしたので、前記隙間より大きい堆積物が剥落せず、前記堆積物による架橋現象を生ずることなく陰極・陽極間の短絡現象の発生を防止することができる。
【００２６】
本発明の第３の形態によれば、多数の前記凹凸を格子状、斜交状、島状のパターンのいずれかにより形成したので、前記陽極を形成する筒内壁の多分割化を実現でき、各パターンの堆積物分離作用により前記堆積物を微細化して、前記堆積物による架橋現象を生ずることなく陰極・陽極間の短絡現象の発生を防止することができる。
【００２７】
拡散プラズマによる堆積量はプラズマ構成物質の供給源である前記陰極周辺に多くなる傾向にある。従って、本発明の第４の形態によれば、この堆積傾向に着目し、前記陽極を形成する筒内壁のうち、前記陰極に近い領域を前記凹凸パターンの形成領域として堆積物の微細化を実現し、残りの筒内壁には複数の環状溝を前記陰極の前方方向に刻設した環状溝パターンを形成して、前記環状溝パターンによって形成される陽極突部の領域を確保し、真空アークの発生を高効率で誘起するので、陰極・陽極間の短絡現象の発生を防止すると共にプラズマ発生効率の向上を図ることができる。
【００２８】
本発明の第５の形態によれば、前記陰極の周囲に環状凹所を形成し、前記陽極から剥落した前記微細片を前記凹所に貯留、回収するので、前記陰極周辺に剥落した前記微細片が堆積して前記陰極に接触することがなく、確実に陰極・陽極間の短絡現象の発生を未然に防止することができる。
【００２９】
本発明の第６の形態によれば、前記陰極の下方に前記微細片の貯留部を設けると共に、前記陰極の周囲に前記貯留部に連通する開放部を形成し、前記陽極から剥落した前記微細片を前記開放部を通じて前記貯留部に貯留、回収するので、前記陰極周辺に剥落した前記微細片が全く堆積せず、陰極・陽極間の短絡現象の発生をより確実に防止することができる。
【００３０】
本発明の第７の形態によれば、第１〜第６形態のいずれかに係るプラズマ発生装置により発生されたプラズマを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、該プラズマによる成膜処理等を行う際に、陰極・陽極間の短絡現象を生じることなく、前記プラズマ発生装置の安定稼働を行い、成膜等の処理効率の向上を図ることができる。
【００３１】
プラズマ処理においては高純度プラズマを用いて成膜等を行い表面処理精度の向上を図る必要がある。高純度プラズマの生成を阻害する要因には、ターゲット（陰極）から発生するドロップレットがプラズマに混入することに起因するものがある。この種のドロップレットには、正電気及び／又は負電気を帯びた帯電ドロップレット（正ドロップレット及び負ドロップレット）と、帯電していない中性ドロップレットが存在する。
【００３２】
本発明に係るプラズマ処理装置においては、多数の前記凹凸を形成した陽極を具備したプラズマ発生装置を有して、プラズマ発生効率を低下させずに、大きなカーボンフレークの剥落を防止して稼働効率を向上でき、しかも第８〜第１２の形態により、中性ドロップレット及び帯電ドロップレットの除去対策を行って、発生プラズマの高純度化を実現することができる。
【００３３】
本発明の第８の形態によれば、前記プラズマ発生部と前記プラズマ輸送管の間に始端側絶縁体を介装し、前記プラズマ輸送管と前記プラズマ処理部の間に終端側絶縁体を介装することにより、前記プラズマ発生部と前記プラズマ輸送管と前記プラズマ処理部が完全な電気的独立状態になる。その結果、プラズマ輸送管に対する前記プラズマ発生部と前記プラズマ処理部からの電気的影響が完全に遮断され、一般に金属で形成されるプラズマ輸送管は全体として同電位となり、プラズマ輸送管には電位差は存在しない。電位差が無いから、電位差に基づく荷電粒子に対する電気力は発生しない。帯電ドロップレットは荷電粒子の一種であるから、同電位状態にあるプラズマ輸送管内では、帯電ドロップレットに電気力が作用せず、帯電ドロップレットは中性ドロップレットと同様に取り扱うことができる。従って、後述する中性ドロップレットの幾何学的除去方法によって、帯電ドロップレットも中性ドロップレットと一緒に、プラズマ輸送管を進行する途中で除去することができるようになる。故に、プラズマ輸送管から供給されるプラズマは、中性ドロップレット除去構造により中性ドロップレットと帯電ドロップレットが除去された高純度プラズマになり、この高純度プラズマによりプラズマ処理部内の被処理物に対し高純度プラズマ処理を可能にすることができる。
【００３４】
本発明の第９の形態によれば、前記プラズマ輸送管は、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、後述の図７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、後述の図２０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段階の屈曲経路化の幾何学的構造により高効率に中性ドロップレットを除去し、しかも上述のように帯電ドロップレットも前記幾何学的構造により高効率に除去でき、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。
【００３５】
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。
【００３６】
本発明の第１０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、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。
【００３７】
本発明の第１１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。
【００３８】
本発明の第１２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。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態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。
【図２】プラズマ発生装置１のプラズマ発生部４周辺の断面概略図である。
【図３】プラズマ発生装置１に用いる陽極３の電極筒体を示す縦断面図である。
【図４】陽極３の電極筒体の詳細を示す縦断面図である。
【図５】本発明の電極筒体における多分割パターン例を示すパターン図である。
【図６】陽極内壁の一部に多分割化を施した変形例を示す縦断面図である。
【図７】本実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成図である。
【図８】本発明の別の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成図である。
【図９】本発明の更に別の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成図である。
【図１０】本発明に用いるバイアス電源の構成図である。
【図１１】本発明の第４実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成図である。
【図１２】第４実施形態に係る可動ヨーク１２９の配置状態を示す配置図である。
【図１３】可動ヨーク１２９の回動調整機構を示す構成図である。
【図１４】可動ヨーク１２９のスライド調整及び揺動調整機構を示す構成図である。
【図１５】第４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。
【図１６】第４実施形態に係る内周管１６１の部分拡大断面図である。
【図１７】第４実施形態に係る可動アパーチャー１７０の平面図とアパーチャー１７０の取り付け状態図である。
【図１８】第５実施形態であるプラズマ処理装置の概略構成図である。
【図１９】第５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。
【図２０】成膜レートに対するプラズマ輸送距離の関係を示す関係図である。
【図２１】従来のプラズマ加工装置の構成概略図である。
【図２２】従来の電極筒体２１４の内壁面を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明の実施形態に係る陽極壁多分割型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。
【００４１】
図１は本発明のプラズマ発生装置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２（ターゲット）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。トリガ電極５は陰極２に対し接近・後退可能に、回動自在に設けられている。陽極３は筒内壁を多分割構成とした電極筒体からなる。真空雰囲気下で陰極２とトリガ電極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Ｐが生成される。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Ｐ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第２進行路へ進行する。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。屈曲部７には第２進行路に接続する直進管路が設けられ、ドップレット進行路９等のプラズマＰ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１１、１２及び１７が設けられている。なお、前記直進管路にプラズマ進行磁場を発生させる磁場発生器１８が設置されている。
【００４２】
第２進行路は内壁に複数のバッフル１２が設けられた拡径管１３からなり、拡径管１３にはプラズマ進行磁場を発生させる磁場発生器２０が設置されている。プラズマＰが拡径管１３内を進行するとき、残存するドロップレットＤが前記バッフル１２に衝突して付着し、更にドロップレットＤが除去される。拡径管１３は前記直進管路に対して傾斜配置されている。拡径管１３の終端は縮径管２３を介してプラズマ処理部１５に接続されている。ドロップレットＤが除去されたプラズマＰは磁場発生器１４、１４の磁場によりプラズマ処理部１５に供給され、被処理物１６をプラズマ処理することができる。縮径管２３内にもバッフル１９が設置されている。
【００４３】
図２はプラズマ発生部４周辺の断面概略図である。同図の（２Ａ）に示すように、トリガ電極５は回動軸２４を中心に揺動自在に軸支されたストライカからなる。電源２５により通電線２６、２７を介して陽極内壁２８及びストライカのトリガ電極５と陰極２のターゲットの間に電圧が印加される。プラズマ発生部外壁２９は、外壁２９の上下端に取着した絶縁部材３０、３１により、陽極内壁２８と接触しておらず、電気的中性が保たれている。プラズマ発生部外壁２９のプラズマ出口側にはプラズマ進行路６の管路端３３が接続されている。陽極３の電極筒体は陰極２側にて開放され空隙３４が形成されている。絶縁部材３０は後述の始端側絶縁体ＩＳに対応する。
【００４４】
実線で示す接触位置にあるストライカを離間方向へ引き離すことにより、陰極２の放電面３２と陽極内壁２８の間に真空アーク放電が誘起される。ストライカは回転駆動源（図示せず）の回転駆動を受けて揺動し、離間した位置にあるストライカを放電面３２に接触させる場合、回転駆動源により接触したストライカのトルク反力を検出し、接触状態にあることが判断される。更に、プラズマ発生部４のプラズマ出口側には、フィルタコイル２２が配設されており、プラズマ進行磁場Ｂ２が形成される。ターゲットコイル２１により発生する安定化磁場Ｂ１は、プラズマ進行磁場Ｂ２とは逆相（カプス）に形成されており、安定したプラズマの生成が可能になる。図２の（２Ｂ）に示すように、ターゲットコイル２１により発生する安定化磁場Ｂ１が同相（ミラー）の場合、アークスポットの安定性は低下するが、プラズマの生成効率が向上することが分かっている。
【００４５】
図３は陽極３の電極筒体を示す縦断面図である。図４は前記電極筒体の詳細を示す縦断面図である。
陽極３の電極筒体の内壁には縦横の溝３７、３８により凹凸がマトリクス状に刻設され、多数個の突部３５が形成されている。突部３５は湾曲した薄型直方体形状を有する。電極筒体の下方に設けた空隙３４の下側にはカーボンフレークを回収するための筒径より大きい貯留部３６が配置されている。
【００４６】
図４に示すように、陰極２と陽極３の間で発生したプラズマＰが陰極２より前方に向けて放出され、拡散する際、拡散物質４１が電極筒体内壁に再結晶化して付着、堆積して、カーボンフレーク４０として剥落する。本実施形態においては、電極筒体内壁を縦横の溝３７、３８によってマトリクス状に多分割されているので、拡散プラズマが陽極３に付着、堆積しても、多数の突部３５の堆積物分離作用により堆積物が微細化され、大型乃至長尺状の堆積物が全く生じない。従って、例えば、小片の突部３９からカーボンフレーク４０の微細片が剥落するだけであるので、堆積物が剥落して陰極２と陽極３に跨って架橋することがなく、両極間の短絡現象の発生を防止することができ、プラズマ発生装置の安定駆動と稼働効率の向上に寄与する。微細なカーボンフレーク４０は陰極２周辺の空隙３４から矢印の下方に向けて落下し、貯留部３６に回収される。
【００４７】
図５は電極筒体における多分割パターン例を示す。同図の（５Ａ）は本実施形態に用いた格子状のマトリクスパターンである。カーボーンフレークは突部表面の大きさに関連して成長するものであり、突部３５は堆積物分離作用を高めるには出来るだけ小片であるのが好ましい。多分割を余分に施すと、有効電極表面積が減少してしまうので、突部３５の最長長さＬを少なくとも、筒内壁と陰極外周との間の隙間の幅Ｒ（図４参照）より短かくしておけばよい。その長さに対応したカーボーンフレークが剥落しても確実に空隙３４の開放部より下方に落下、回収することができる。
【００４８】
陽極電極筒体における多分割パターンは、格子状のマトリクスパターンに限らず、例えば、図５の（５Ｂ）の例に示す斜交状パターンや、同図（５Ｃ）の例に示す島状のパターンでもよい。斜交状パターンの一例は横溝４５に対して斜向溝４４を筒内壁に刻設することにより、湾曲状変形直方体形状を有する突部４３を形成して得られる。島状のパターンの一例はハニカム溝４７を筒内壁に刻設することにより、六角形状の突部４６を形成して得られる。島状のパターンには丸型突部の水玉状パターンが含まれる。
【００４９】
本実施形態に係る多分割陽極の使用により、微細化されたカーボーンフレークが剥落するだけであるので、貯留部３６に代えて、図３の破線で示すように、空隙３４の下方に、陰極２の周囲を囲む環状凹所４２を設けて、微細化されたカーボーンフレークを回収するようにしてもよい。大型の貯留部３６に比べて回収頻度が増すが、陰極２周辺をコンパクトに構成できる利点がある。
【００５０】
拡散プラズマによる陽極内壁への付着量はプラズマ構成物質の供給源である陰極２周辺で多くなる傾向にある。従って、必ずしも多分割化を陽極内壁全面に施す必要はなく、陽極面積や陽極筒体の大きさ等に応じて、内壁全体ないし一部に多分割化を実施すればいい。
図６は陽極内壁の一部を多分割化した変形例を示す。この変形例においては、陽極４８の電極筒体の内壁のうち、陰極２に近い半分領域を、上記と同様の格子状の凹凸パターン４９の形成領域とし、残り半分の筒内壁には複数の環状溝を陰極２の前方方向に刻設した環状溝パターン５０を形成している。従って、陰極２に近い半分領域において凹凸パターン４９による堆積物の微細化を実現し、残りの筒内壁においては環状溝パターン５０によって形成される陽極突部の表面積の大きい領域を確保し、真空アークの発生を高効率で誘起して、陰極・陽極間の短絡現象の発生を防止すると共にプラズマ発生効率の向上を図ることができる。
【００５１】
本実施形態に係るプラズマ処理装置においては、多分割陽極を具備したプラズマ発生装置１を有して、プラズマ発生効率を低下させずに、大きなカーボンフレークの剥落を防止して稼働効率の向上を図り、更に、中性ドロップレット及び帯電ドロップレットをより効率的に除去できる、プラズマ高純度化構成を具備する。以下に、本実施形態のプラズマ処理装置におけるプラズマ高純度化構成を説明する。図７〜図９においては、プラズマ輸送経路を主体にして説明を行い、プラズマ輸送経路以外の構成を簡略して図示している。
【００５２】
図７は本実施形態のプラズマ処理装置におけるプラズマ輸送経路の概略構成を示す。本実施形態に係るプラズマ処理装置においては、陽極３の筒体のプラズマ出口とプラズマ輸送管の間に始端側絶縁体ＩＳを介装し、プラズマ輸送管とプラズマ処理部１５の間に終端側絶縁体ＩＦを介装して、プラズマ発生装置１、プラズマ輸送管及びプラズマ処理部１５を相互に電気的に独立させ、プラズマ輸送管に対するプラズマ発生装置１及びプラズマ処理部１５からの電気的影響を遮断している。
【００５３】
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及びプラズマ輸送管Ｂから構成される。プラズマ発生部Ａはプラズマ発生部４に対応する。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Ｇ１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Ｇ２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。プラズマ輸送路Ｂは、プラズマを流通させる管路からなり、プラズマ輸送路Ｂは、陰極から副生するドロップレットを幾何学的構造により除去するドロップレット除去部の構造も有している。このプラズマ輸送路Ｂ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。第２プラズマ進行管Ｐ２は、図１における拡径管１３からなる前記第２進行路に対応する。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１１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。
【００５４】
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。
【００５５】
各プラズマ進行管の外周には、プラズマ流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。
【００５６】
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。
図２０は成膜レートに対するプラズマ輸送距離の関係を示す関係図である。本実施形態では、図２０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、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。
【００５７】
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（図２０のＡ１）や湾曲プラズマ進行路（図２０のＡ２）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。
【００５８】
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７又は１１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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
上述した３段屈曲構造及び角度関係θ≧θ０は、主として中性ドロップレットのように直進するドロップレットを除去するために設けられたプラズマ輸送路Ｂの幾何学的構造を与えるものである。帯電ドロップレットは環境からの電気作用と磁気作用により影響を受けるから、電磁場中では電場・磁場によって直進から外れることがある。従って、帯電ドロップレットを除去するためには、プラズマ輸送路から、特に電位差を意識的に除去する機構を装備する必要がある。プラズマ輸送用の磁場は必ず必要になるから磁場を除去するのはプラズマ装置としては困難だからである。電位差を除去すると、帯電ドロップレットに対する電気力を消去できるから、この場合には帯電ドロップレットも中性ドロップレットと同様に直進する性質を有し、前述した幾何学的構造により帯電ドロップレットも除去することが可能になる。
【００６４】
本実施形態に係るプラズマ処理装置は帯電ドロップレットの除去構造を有している。プラズマ発生部Ａとプラズマ輸送管Ｂは始端側絶縁体ＩＳにより相互に電気絶縁されており、しかもプラズマ輸送管Ｂとプラズマ処理部Ｃとは終端側絶縁体ＩＦにより相互に電気絶縁されている。その結果、プラズマ輸送管Ｂは、プラズマ発生部Ａとプラズマ処理部Ｃからの電気的影響を全く受けず、プラズマ輸送管Ｂは全体として同電位に設定されることになる。前述したとおり、プラズマ輸送管Ｂは、プラズマ直進管Ｐ０と第１プラズマ進行管Ｐ１と第２プラズマ進行管Ｐ２と第３プラズマ進行管Ｐ３からなり、これらの配管の全てが同電位になるため、プラズマ輸送管Ｂの中には電位差が全く無く、帯電ドロップレットはプラズマ輸送管Ｂの中で電位差に基づく電気力を全く受けることが無い。従って、帯電ドロップレットも、プラズマ輸送管Ｂの中では中性ドロップレットと同様に、前述した３段屈曲構造及び角度関係θ≧θ０により確実に除去されることになる。
【００６５】
本プラズマ処理装置の各構成部分にバイアス電源を付設することもできる。図７では、プラズマ発生部容器Ａ１に容器用バイアス電源ＥＡ１が付設され、プラズマ輸送管Ｂには輸送管用バイアス電源ＥＢが付設され、プラズマ処理部Ｃの筐体である処理部容器Ｃ３には処理部用バイアス電源ＥＣ、及びワークＷには被処理部用バイアス電源ＥＷが付設されている。
【００６６】
各バイアス電源ＥＡ１、ＥＢ、ＥＣ、ＥＷは同一の構造を有しており、その構造を図１０を用いて説明する。図１０はバイアス電源の構成図である。接続端子ＣＴが本プラズマ処理装置の各構成部分と接続される端子である。接続端子ＣＴに連結された可動端子ＶＴは４段階に可動可能である。４段階の受側端子は、浮動端子ＦＴ、可変正電位端子ＰＶＴ、可変負電位端子ＮＶＴ及び接地端子ＧＮＤＴからなる。可動端子ＶＴが浮動端子ＦＴに接続されると、浮動端子ＦＴは電気的に浮動状態にあり、どの部分にも接続されないことになる。可動端子ＶＴが可変正電位端子ＰＶＴに接続されると、ＧＮＤ（接地側）に対し正の電位が構成部分に大小可変（０〜＋５０Ｖ）できるように印加される。可動端子ＶＴが可変負電位端子ＮＶＴに接続されると、ＧＮＤ（接地側）に対し負の電位が構成部分に大小可変（０〜−５０Ｖ）できるように印加される。可動端子ＶＴが接地端子ＧＮＤＴに接続されると、構成部分はＧＮＤへと接地されることになる。
【００６７】
図７は好適な電位配置を示しており、プラズマ発生部容器Ａ１は前記容器用バイアス電源ＥＡ１によりＧＮＤに設置され、プラズマ輸送管Ｂは輸送管用バイアス電源ＥＢにより電気的浮動状態に設定され、処理部容器Ｃ３は処理部用バイアス電源ＥＣによりＧＮＤに設置され、並びにワークＷは被処理部用バイアス電源ＥＷにより電気的浮動状態に設定されている。プラズマ発生部容器Ａ１は、プラズマ発生用のアーク電源とは絶縁されているから、ＧＮＤに接地されたプラズマ発生部容器Ａ１は、作業者が接触しても安全設計が為されている。処理部容器Ｃ３もＧＮＤに接地されているから、作業者が接触しても安全である。プラズマ輸送管Ｂは電気的浮動状態にあり、全体として同電位であるから、前述した様にプラズマ輸送管Ｂ内で電位差は無く、帯電ドロップレットもドロップレット除去の幾何学的構造により、中性ドロップレットと同様に確実に除去できる。電気的浮動状態に設定されたワークＷも全体が同電位にあり、プラズマに対する電気的作用が偏らず、プラズマを全表面で均一に受けることができる。
【００６８】
図８は本発明の別の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成図である。図７の実施形態との第１の相違点は、プラズマ発生部容器Ａ１の下側に容器間絶縁体ＩＡを介してターゲット交換部容器Ａ２を設け、ターゲット交換部容器Ａ２に交換部容器用バイアス電源ＥＡ２を付設したことである。ターゲット交換部容器Ａ２の中には、プラズマ発生部Ａのターゲットが消耗した際に、補充するための予備ターゲット（図示せず）が内装されており、同時に交換機構（図示せず）が内蔵されている。第２の相違点は、第１中間絶縁体ＩＩ１により、プラズマ輸送管ＢをＴ輸送管Ｂ０１と屈曲輸送管Ｂ２３に分割し、屈曲輸送管Ｂ２３に屈曲輸送管用バイアス電源ＥＢ２３を付設し、Ｔ輸送管Ｂ０１にはＴ輸送管用バイアス電源ＥＢ０１を付設したことである。他は図７と全く同様であり、以下では特に相違点の作用効果について説明する。
【００６９】
交換部容器用バイアス電源ＥＡ２はＧＮＤに接地され、作業者が接触しても安全に設計されている。プラズマ発生部Ａの容器用バイアス電源ＥＡ１は電気的浮動状態に設定され、プラズマに対する電気的作用を消去し、安定なプラズマ発生を促進する。Ｔ輸送管用バイアス電源は図１０の可変負電位端子ＮＶＴに接続されており、Ｔ輸送管Ｂ０１を負電位に落としている。この負電位は−５〜−１０Ｖの範囲で調整されると、帯電ドロップレットの除去効率が増大することが実験から分かった。屈曲輸送管用バイアス電源ＥＢ２３はＧＮＤに接続される。この第２形態では、バイアス電源の配置がＥＡ２→ＥＡ１→ＥＢ０１→ＥＢ２３となるに従って、その配管の電位がＧＮＤ→浮動→（−５〜−１０Ｖ）→ＧＮＤと変化しており、この電位変化が帯電ドロップレットの除去に有効であることが、現在の実験例から明らかになった。その理由は明確ではないが、ＧＮＤ→負電位→ＧＮＤと電位が変化すると、最初のＧＮＤ→負電位では正ドロップレットが輸送管に電気吸着され、次の負電位→ＧＮＤでは負ドロップレットが輸送管に電気吸着されると考えることも可能である。
【００７０】
図９は更に別の第３実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成図である。図８との相違点は、第２中間絶縁体ＩＩ２により屈曲輸送管Ｂ２３を第２輸送管Ｂ２と第３輸送管Ｂ３に分割したことである。その結果、第２輸送管Ｂ２に第２輸送管用バイアス電源ＥＢ２を付設し、第３輸送管Ｂ３に第３輸送管用バイアス電源ＥＢ３を付設したことである。他は図８と全く同様であり、以下では特に相違点の作用効果について説明する。
【００７１】
図９では、第２輸送管用バイアス電源ＥＢ２はＧＮＤに接地され、第３輸送管用バイアス電源ＥＢ３は図１０の可変負電位端子ＮＶＴに接続されて負電位に設定される。第３輸送管用バイアス電源ＥＢ３の負電位は０〜−１５Ｖの範囲で調整されると良好であることが実験から得られた。この第３実施形態では、バイアス電源の配置がＥＡ２→ＥＡ１→ＥＢ０１→ＥＢ２→ＥＢ３となるに従って、その配管の電位がＧＮＤ→浮動→（−５〜−１０Ｖ）→ＧＮＤ→負電位と変化しており、この電位変化が帯電ドロップレットの除去に有効であることが、現在の実験例から明らかになった。その理由は明確ではないが、ＧＮＤ→負電位→ＧＮＤ→負電位と電位が変化すると、最初のＧＮＤ→負電位では正ドロップレットが輸送管に電気吸着され、次の負電位→ＧＮＤでは負ドロップレットが輸送管に電気吸着され、更に次のＧＮＤ→負電位では残り正ドロップレットが輸送管に電気吸着されると考えることができる。
【００７２】
前述したように、各バイアス電源ＥＷ、ＥＣ、ＥＢ３、ＥＢ２、ＥＡ１、ＥＡ２、ＥＢ０１の可変正電位は０〜＋５０Ｖの範囲で調整でき、可変負電位は０〜−５０Ｖの範囲で調整される。これらの電圧範囲で全体装置のドロップ除去効率が最大になるように、各バイアス電源の電位が個別に可変調整される。
【００７３】
次に、本発明における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１１は、本発明の第４実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成図である。図１１の装置は、図８の装置に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を示している。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８と同様に、容器間絶縁体ＩＡ、始端側絶縁体ＩＳ、第１中間絶縁体ＩＩ１及び終端側絶縁体ＩＦが配置されて、全体装置の電気絶縁が構成されている。また、図８では部材符号がアルファベット記号で示しているのに対し、図１１では部材符号が数字で示しているが、実質的相違は無い。また、同一のアルファベット符号は、図８と図１１では同一部材を示し、その構成と作用効果は図８で既に説明しているから、図１１では同一部分の説明を省略し、以下ではドロップレット除去の幾何学的構造を主として説明する。
【００７４】
図１１のプラズマ処理装置は、ガス流入口１２５ａ及び排気口１２５ｂを備えたプラズマ処理部（チャンバー）１０１と、プラズマ処理部１０１に供給するプラズマを発生させるプラズマ発生部１０２及びプラズマ輸送管からなるプラズマ処理装置とから構成される。プラズマ輸送管は、図８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。以下では、プラズマ輸送管Ｂの構造自体がドロップレット除去部を構成しているから、ドロップレット除去部とはドロップレット除去構造を有したプラズマ輸送管Ｂを意味する。本第４実施形態のドロップレット除去部は、プラズマ発生部１０２に連接されたプラズマ直進管１０３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１０４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１０５と、第２プラズマ進行管１０５の終端に屈曲状に連接され、プラズマ出口１０７よりプラズマを排出する第３プラズマ進行管１０６とから構成されている。
【００７５】
プラズマ直進管１０３、第1プラズマ進行管１０４、第２プラズマ進行管１０５及び第３プラズマ進行管１０６からなるプラズマ輸送管は、図８のプラズマ輸送管と同様に、３段階に屈曲形成されている。第３プラズマ進行管１０６のプラズマ出口１０７はプラズマ処理部１０１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１０６のプラズマ出口１０７から第1プラズマ進行管１０４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１０５が図８と同様に幾何学的に配置されている。即ち、一点鎖線の矢印１０９で示すように、第３プラズマ進行管１０６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１０４のプラズマ出口側の管断面下端に対する仰角（θ）は、矢印１０８で示すように、第３プラズマ進行管１０６のプラズマ出口１０７側の管断面下端から第２プラズマ進行管１０５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８と同様の幾何学的管路配置により、第1プラズマ進行管１０４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１０６に侵入するのを回避して、第３プラズマ進行管１０６のプラズマ出口１０７から排出されないようにすることができる。
【００７６】
プラズマ発生部１０２は、陰極（カソード）１１０、トリガ電極１１１、内壁多分割型陽極（アノード）１１２、アーク電源１１３、陰極プロテクタ１１４、プラズマ安定化磁界発生器（電磁コイル若しくは磁石）１１５を備えている。陰極１１０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１１４は、蒸発する陰極表面以外を電気絶縁し、陰極１１０と陽極１１２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１１２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１１２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１１５は、プラズマ発生部１０２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１１５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１１５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１０２と各プラズマ管路とはプラズマ発生部側絶縁プレート１１６で電気的に絶縁され、プラズマ発生部１０２に高電圧が印加されても、プラズマ直進管１０３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１０６とプラズマ処理部１の間にも処理部側絶縁プレート（終端側絶縁体ＩＦ）が介装されており、プラズマ直進管１０３から第３プラズマ進行管１０６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。
【００７７】
プラズマ発生部１０２では、陰極１１０とトリガ電極１１１の間に電気スパークを生起し、陰極１１０と陽極１１２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１１０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１２６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。
【００７８】
プラズマ直進管１０３、第1プラズマ進行管１０４、第２プラズマ進行管１０５及び第３プラズマ進行管１０６からなるプラズマ輸送管には、各管外周に巻回された磁場コイル１１７、１１８、１１９、１２０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。
【００７９】
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１０４及び第２プラズマ進行管１０５の管連接部には屈曲磁場を発生させる磁場コイル１２１及び偏向磁場発生手段１２３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１０４及び第２プラズマ進行管１０５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１０４及び第２プラズマ進行管１０５には、偏向磁場発生手段１２２、１２４が付設されている。
【００８０】
偏向磁場発生手段１２２、１２４は偏向磁場発生コイル１３０と可動ヨーク１２９からなる。図１２は可動ヨーク１２９を第２プラズマ進行管１０５外周に配置した状態を示す。可動ヨーク１２９は偏向磁場発生コイル１３０が巻回され、一対の磁極１２７、１２８を有する。磁極１２７、１２８間には偏向磁場が発生され、第２プラズマ進行管１０５内のプラズマに付与される。
【００８１】
偏向磁場発生手段１２２、１２４は、可動ヨーク１２９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１３は第１プラズマ進行管１０４外周に配置した可動ヨーク１２９の回動調整機構を示す。回動調整機構は可動ヨーク１２９を周方向に回動調整する円弧状ガイド溝１３２が４箇所設けられたガイド体１３１からなる。ガイド溝１３２には可動ヨーク１２９に設けたピン１３３が挿入され、ピン１３３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１２９を回動調整することができる。調整後はピン１３３を締結ナット１３４でガイド体１３１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。
【００８２】
図１４は第２プラズマ進行管１０５外周に配置した可動ヨーク１２９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１３１は可動ヨーク１２９をスペーサ１３６を介して固定保持した状態でスライド部材１３５に支持されている。スライド部材１３５は第２プラズマ進行管１０５の管軸方向に沿った直線状スライド溝１３８を有し、調整部本体１３７に固定されている。スライド溝１３８は第２プラズマ進行管１０５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１０４に設置されるスライド溝は第１プラズマ進行管１０４の中心線に沿って水平に形成されている。ガイド溝１３８にはガイド体１３１に設けたピン１３９が挿入され、ピン１３９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１３１の可動ヨーク１２９をスライド調整することができる。調整後はピン１３９を締結ナット４０でスライド部材１３５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１３１は可動ヨーク１２９を固定保持した状態でピン１３９の軸回りに回転自在にスライド部材１３５に支持されている。ピン１３９の軸回りに回転させることにより、可動ヨーク１２９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１３９を締結ナット１４０でスライド部材１３５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１０４側に５°、その反対側に３０°である。
【００８３】
偏向磁場発生手段１２２、１２４は、可動ヨーク１２９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１２９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。
【００８４】
図１５の（１５Ａ）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１０５に傾斜軸に沿って円形状Ｍ１に巻回した状態１１９Ａ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（１０４又は１０６）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１０５の管外周に巻回された磁場コイル１１９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１５の（１５Ｂ）はプラズマ搬送用磁場発生用磁場コイル１１９を、傾斜配置された第２プラズマ進行管１０５に傾斜軸に沿って楕円形状Ｍ２に巻回した状態１１９Ｂを模式的に示す。楕円形状Ｍ２に巻回した磁場コイル１１９を第２プラズマ進行管１０５に設置することにより、（１５Ａ）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。
【００８５】
プラズマ直進管１０３、第1プラズマ進行管１０４、第２プラズマ進行管１０５及び第３プラズマ進行管１０６からなるプラズマ輸送管には、それぞれの管内壁面にドロップレット捕集板（バッフル）１４１、１４２、１４３、１４４が植設されている。各捕集板の構造を以下に詳述する。
【００８６】
図１６はドロップレット捕集板１６０を有する内周管１６１の部分拡大断面図である。内周管１６１は各プラズマ管路（１０３〜１０６）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１６０が植設されている。ドロップレット捕集板１６０の中央にはプラズマ流通用開口部１６２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１６２を通過する。ドロップレット捕集板１６０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１６０を多重反射しながら確実に付着回収できる。
【００８７】
複数枚のドロップレット捕集板１６０により内周管１６１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。プラズマ輸送管においては、内周管１６１の管長による制限によってドロップレット捕集板１６０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１６０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１６０の表面を粗面化することにより、ドロップレット捕集板１６０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１６０の狭い表面に微細凹凸加工を施すことができる。
【００８８】
ドロップレット捕集板１６０の植設領域は、好ましくは管内壁面積の７０％以上である。図８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。
【００８９】
ドロップレット捕集板１６０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１６１にはバイアス電圧印加手段としての内周管バイアス電源１６３が接続され、内周管１６１を＋電位に設定したり、−電位に設定したり、ＧＮＤに接地したりすることができる。内周管１６１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１６１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。
【００９０】
第２プラズマ進行管１０５内には、管軸方向に沿って可動するアパーチャー１７０を１個以上配設してもよい。前記アパーチャー１７０は、第２プラズマ進行管１０５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１７０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１０５内に複数のアパーチャー１７０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。
【００９１】
図１７の（１７Ａ）は可動アパーチャー１７０の平面図であり、同図（１７Ｂ）はアパーチャー１７０の取り付け状態を示す。アパーチャー１７０は中央に所定面積の開口部１７１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１７０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１７２がビス１７３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１７４は下方に向けて屈曲されている。図１７の（１７Ｂ）に示すように、第２プラズマ進行管１０５の管１７５内壁には、あらかじめアパーチャー１７０保持用の係止凹部１７６を円状に刻設しておく。係止凹部１７６は管１７５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１７４を下方に向けた状態でアパーチャー１７０を矢印１７７の向きに管１７５内に挿入すると、ストッパ１７２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１７７の逆方向である。更に、アパーチャー１７０を矢印１７７の向きに押し込むと、係止凹部１７６にてストッパ１７２の突出部分１７４が弾性付勢力により広がって係止凹部１７６に嵌入し、係止する。この係止状態ではストッパ１７２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１７０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１７０を矢印１７７の向きに更に押し込むと、ストッパ１７２の係止が解除され、次の係止凹部１７６に突出部分１７４が再び嵌入して係止させることができる。
【００９２】
アパーチャー１７０は第２プラズマ進行管１０５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１７０により第２プラズマ進行管１０５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１７０のセット数は１又は２以上である。なお、開口部１７１はアパーチャー１７０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。
【００９３】
プラズマ直進管１０３、第1プラズマ進行管１０４、第２プラズマ進行管１０５及び第３プラズマ進行管１０６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１７０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。
【００９４】
図７及び図１１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１０６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１０５より排出されるプラズマ流を第３プラズマ進行管１０６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１０６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。
【００９５】
図１８は第５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１８のプラズマ処理装置は、図１１と同様に、プラズマ処理部１０１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）及びプラズマ輸送管からなるプラズマ生成装置を有する。プラズマ輸送管に設けたドロップレット除去部は、図８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、プラズマ輸送管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。
【００９６】
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からなるプラズマ輸送管は、図７及び図１１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輸送管において、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７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７及び図１１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７と同様に、θ≧θ０が満足されている。図７及び図１１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。
【００９７】
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。
【００９８】
図１９は、第５実施形態に係る円錐台形管（偏向振動管）１１０８（図１８に図示）に形成される走査用磁場の説明図である。図１８及び図１９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。
【００９９】
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１９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。
【０１００】
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】
【０１０１】
本発明によれば、プラズマ発生効率を低下させずに、大きなカーボンフレークの剥落を防止して稼働効率を向上することができる陽極壁多分割型プラズマ発生装置を提供することができる。また、本発明に係るプラズマ処理装置によれば、陽極壁多分割型プラズマ発生装置を搭載して、稼働効率の向上を図ると共に、中性ドロップレット及び帯電ドロップレットの除去対策を行って、発生プラズマの高純度化を実現することができるので、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。
【符号の説明】
【０１０２】
１        プラズマ発生装置
２        陰極
３        陽極
４        プラズマ発生部
５        トリガ電極
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      バッフル
１２      バッフル
１３      拡径管
１４      磁場発生器
１５      プラズマ処理部
１６      被処理物
１７      バッフル
１８      磁場発生器
１９      バッフル
２０      磁場発生器
２１      ターゲットコイル
２２      フィルタコイル
２３      縮径管
２４      回動軸
２５      電源
２６      通電線
２７      通電線
２８      陽極内壁
２９      外壁
３０      絶縁部材
３１      絶縁部材
３２      放電面
３３      管路端
３４      空隙
３５      突部
３６      貯留部
３７      溝
３８      溝
３９      小片の突部
４０      カーボンフレーク
４１      拡散物質
４２      環状凹所
４３      突部
４４      斜向溝
４５      横溝
４６      六角形状の突部
４７      ハニカム溝
４８      陽極
４９      格子状の凹凸パターン
５０      環状溝パターン
１０１    プラズマ処理部
１０２    プラズマ発生部
１０３    プラズマ直進管
１０４    第1プラズマ進行管
１０５    第２プラズマ進行管
１０６    第３プラズマ進行管
１０７    プラズマ出口
１０８    矢印
１０８ａ  Ｘ方向振動磁場発生器
１０８ｂ  Ｙ方向振動磁場発生器
１０９    矢印
１１０    陰極
１１１    トリガ電極
１１２    陽極
１１３    アーク電源
１１４    陰極プロテクタ
１１５    プラズマ安定化磁界発生器
１１６    絶縁プレート
１１７    磁場コイル
１１８    磁場コイル
１１９    磁場コイル
１２１    磁場コイル
１２２    偏向磁場発生手段
１２３    偏向磁場発生手段
１２４    偏向磁場発生手段
１２５ａ  ガス流入口
１２５ｂ  排気口
１２７    磁極
１２８    磁極
１２９    可動ヨーク
１３０    偏向磁場発生コイル
１３１    ガイド体
１３２    ガイド溝
１３３    ピン
１３４    締結ナット
１３５    スライド部材
１３６    スペーサ
１３７    調整部本体
１３８    スライド溝
１３９    ピン
１４０    締結ナット
１４１    ドロップレット捕集板（バッフル）
１４２    ドロップレット捕集板（バッフル）
１４３    ドロップレット捕集板（バッフル）
１４４    ドロップレット捕集板（バッフル）
１６０    ドロップレット捕集板（バッフルの一部）
１６１    内周管
１６２    開口部
１６３    バイアス電源
１７０    アパーチャー
１７１    開口部
１７２    ストッパ
１７３    ビス
１７４    突出部分
１７５    管
１７６    係止凹部
１７７    矢印
２００    プラズマ発生部
２０１    陰極
２０２    トリガ電極
２０３    陽極
２０４    プラズマ
２０５    電源
２０６    プラズマ安定化磁場発生器
２０７    プラズマ安定化磁場発生器
２０８    プラズマ処理部
２０９    被処理物
２１０    ガス導入システム
２１１    ガス排気システム
２１２    ドロップレット捕集部
２１３    陰極材料微粒子
２１４    電極筒体
２１５    環状の溝
２１６    突部
２１７    上面
２１８    拡散物質
２１９    円弧部分
２２０    カーボンフレーク
１１０９  出口管
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
Ａ１      プラズマ発生部容器
Ａ２      ターゲット交換部
Ｂ        プラズマ輸送管
Ｂ０１    Ｔ輸送管
Ｂ２      第２輸送管
Ｂ２３    屈曲輸送管
Ｂ３      第３輸送管
Ｃ        プラズマ処理部
Ｃ１      設置位置
Ｃ２      ターゲット位置
Ｃ３      処理部容器
ＣＴ      接続端子
Ｅ        バイアス電源
ＥＡ１    容器用バイアス電源
ＥＡ２    交換部容器用バイアス電源
ＥＢ      輸送管用バイアス電源
ＥＢ０１  Ｔ輸送管用バイアス電源
ＥＢ２    第２輸送管用バイアス電源
ＥＢ２３  屈曲輸送管用バイアス電源
ＥＢ３    第３輸送管用バイアス電源
ＥＣ      処理部用バイアス電源
ＥＷ      被処理物用バイアス電源
ＦＴ      浮動端子
ＧＮＤ    接地
ＧＮＤＴ  接地端子
ＩＦ      終端側絶縁体
ＩＩ１    第１中間絶縁体
ＩＳ      始端側絶縁体
ＩＡ      容器間絶縁体
ＩＩ２    第２中間絶縁体
ＮＶＴ    可変負電位端子
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
ＰＶＴ    可変正電位端子
Ｓ１      プラズマ出口
Ｓ２      プラズマ入口
Ｓ３      プラズマ出口
ＶＴ      可動端子
Ｗ        ワーク
【図１】
2011012307.tif 000003
【図２】
2011012307.tif 000004
【図３】
2011012307.tif 000005
【図４】
2011012307.tif 000006
【図５】
2011012307.tif 000007
【図６】
2011012307.tif 000008
【図７】
2011012307.tif 000009
【図８】
2011012307.tif 000010
【図９】
2011012307.tif 000011
【図１０】
2011012307.tif 000012
【図１１】
2011012307.tif 000013
【図１２】
2011012307.tif 000014
【図１３】
2011012307.tif 000015
【図１４】
2011012307.tif 000016
【図１５】
2011012307.tif 000017
【図１６】
2011012307.tif 000018
【図１７】
2011012307.tif 000019
【図１８】
2011012307.tif 000020
【図１９】
2011012307.tif 000021
【図２０】
2011012307.tif 000022
【図２１】
2011012307.tif 000023
【図２２】
2011012307.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成22年9月13日(2010.9.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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筒状の陽極を設け、真空雰囲気下で前記陰極と前記陽極間において真空アーク放電を行って前記陰極表面からプラズマを発生させるプラズマ発生装置において、前記陽極を形成する筒内壁に多数の凹凸を設け、前記陰極の周囲に環状凹所を形成し、前記陰極から前記陽極側に放出された前記プラズマの一部が前記凹凸に付着して堆積したとき、前記堆積物が前記筒内壁と前記陰極外周との間の隙間の幅より小さな微細片として前記陽極から剥落し、前記陽極から剥落した前記微細片を前記環状凹所に貯留、回収することを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項２】
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筒状の陽極を設け、真空雰囲気下で前記陰極と前記陽極間において真空アーク放電を行って前記陰極表面からプラズマを発生させるプラズマ発生装置において、前記陽極を形成する筒内壁に多数の凹凸を設け、前記陰極の下方に前記微細片の貯留部を設けると共に、前記陰極の周囲に前記貯留部に連通する開放部を形成し、前記陰極から前記陽極側に放出された前記プラズマの一部が前記凹凸に付着して堆積したとき、前記堆積物が前記筒内壁と前記陰極外周との間の隙間の幅より小さな微細片として前記陽極から剥落し、前記陽極から剥落した前記微細片を前記開放部を通じて前記貯留部に貯留、回収することを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項３】
前記凹凸の突部の最長長さを前記筒内壁と前記陰極外周との間の隙間の幅より短くした請求項１又は２に記載のプラズマ発生装置。
【請求項４】
多数の前記凹凸を格子状、斜交状、島状のパターンのいずれかにより形成した請求項１、２又は３に記載のプラズマ発生装置。
【請求項５】
前記陽極を形成する筒内壁のうち、前記陰極に近い領域を前記凹凸パターンの形成領域とし、残りの筒内壁に、複数の環状溝を前記陰極の前方方向に刻設した環状溝パターンを形成した請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
【請求項６】
前記請求項１〜５のいずれか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７】
前記陽極の筒体のプラズマ出口と前記プラズマ輸送管の間に始端側絶縁体を介装し、前記プラズマ輸送管と前記プラズマ処理部の間に終端側絶縁体を介装して、前記プラズマ発生装置、前記プラズマ輸送管及び前記プラズマ処理部を相互に電気的に独立させ、前記プラズマ輸送管に対する前記プラズマ発生装置及び前記プラズマ処理部からの電気的影響を遮断した請求項６に記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
前記プラズマ輸送管は、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請求項６又は７に記載の絶縁体介装型プラズマ処理装置。
【請求項９】
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８に記載の絶縁体介装型プラズマ処理装置。
【請求項１０】
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８又は９に記載の絶縁体介装型プラズマ処理装置。
【請求項１１】
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８〜１０のいずれかに記載の絶縁体介装型プラズマ処理装置。