終端反射壁フィルタを有するプラズマ生成装置及びプラズマ加工装置
【課題】プラズマの輸送効率及びドロップレットの除去効率が高く、比較的安価に製造することができるプラズマ生成装置を提供する。
【解決手段】本発明はカソードターゲット３からプラズマを発生させるプラズマ発生部２と、前記プラズマが進行する第１プラズマ進行路７と第２プラズマ進行路９を有するプラズマ進行路４から構成され、ドロップレット３０を付着する遮蔽板１２が内壁に複数設けられるプラズマ生成装置１において、前記第１プラズマ進行路７の終端にその直進方向に対向する終端反射壁３１が設けられ、前記終端反射壁３１に沿って前記第２プラズマ進行路９が前記第１プラズマ進行路７に対し屈曲して接続され、前記終端反射壁３１に前記遮蔽板を複数配設して前記ドロップレットを反射及び／又は吸着させるプラズマ生成装置１である。
【解決手段】本発明はカソードターゲット３からプラズマを発生させるプラズマ発生部２と、前記プラズマが進行する第１プラズマ進行路７と第２プラズマ進行路９を有するプラズマ進行路４から構成され、ドロップレット３０を付着する遮蔽板１２が内壁に複数設けられるプラズマ生成装置１において、前記第１プラズマ進行路７の終端にその直進方向に対向する終端反射壁３１が設けられ、前記終端反射壁３１に沿って前記第２プラズマ進行路９が前記第１プラズマ進行路７に対し屈曲して接続され、前記終端反射壁３１に前記遮蔽板を複数配設して前記ドロップレットを反射及び／又は吸着させるプラズマ生成装置１である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カソードターゲットからプラズマを発生させるプラズマ発生部と、誘導磁界等によって前記プラズマが進行するプラズマ進行路から構成され、前記プラズマ進行路に前記カソードターゲットで副生されるドロップレットを除去するフィルタ機能が付与されたプラズマ生成装置に関し、更に詳細には、前記プラズマ進行路の内壁やその内壁に設けられた遮蔽板にドロップレットを衝突させて、前記ドロップレットを除去するプラズマ生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空アーク放電では、カソードターゲットの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）の大きさのマクロパーティクルと称される（以下、「ドロップレット」と称する）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。このドロップレットが基板に到達することを防ぐために、１９７０年代から様々な手法が採用されている。後述するように、Aksenov，I．I．et al．「Transport of plasma streams in a curvilinear plasma-opticcs system」，Sov．J．Plasma Phys．4，425-428，（1978）（非特許文献１）、Siemroth，P 「Personal communication on 120-degree Filter」Dresden，Germany，(2003)（非特許文献２）、Aksenov，I．I．et al.「Efficiency of magnetic Plasma filter」Surface and Coatings Technology 163-164，118-127，(2003)（非特許文献３）及び米国特許６０３１２３９号公報（特許文献１）等には、前記ドロップレットを除去するためにフィルターダクトを設けたプラズマ生成装置が記載されている。
【０００３】
フィルターダクトを有するプラズマ生成装置では、プラズマが磁界によりフィルターダクト内のプラズマ進行路に沿って誘導され、プラズマのみがプラズマ進行路の終端まで誘導されるよう前記プラズマ進行路が設計される。プラズマ進行路が湾曲するフィルターダクトの形状には、後述するように、９０°の曲がりを有するもの（非特許文献１）、１２０°の曲がりを有するもの（非特許文献２）、そして二回の曲がりを有するもの（特許文献１）等がある。更に、非特許文献３には、プラズマ進行路の構造等からドロップレットの除去効率を計算する方法が記載されている。
【０００４】
特開２００２−８８９３号公報（特許文献２）には、ドロップレットの除去効率をより向上させる方法として、Ｔ型フィルタ（T-type filter：ＴＴＦ）を有するプラズマ加工装置が記載されている。図１８は、特許文献２に記載され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１０２では、トリガ電極１７０がカソードターゲット１０３に接触して電気スパークが生起され、カソードターゲット１０３とアノード１０５の間に真空アークが発生することによりプラズマ１７１が生成されると同時に、ドロップレット１３０が副生される。図１８のＴＴＦは、９０°に折れ曲るプラズマ進行路１０４にドロップレット捕集部１５０が付設され、Ｔ字状の構造が形成されている。即ち、ＴＴＦでは、ドロップレット１３０を捕獲するスペースが設けられている。従って、ＴＴＦでは、プラズマ１７１を構成する荷電粒子の進行方向が電磁場によって屈曲され、中性粒子のドロップレット１３０が直進することにより分離され、さらにドロップレット捕集部１５０に捕獲される。従って、加工部１０８に配設された被処理物１１３に到達するドロップレット１３０の量が低減されていた。
【０００５】
特開２００４−２４４６６７号公報（特許文献３）に記載される真空アーク蒸着装置では、湾曲するプラズマ進行路が形成されると共に、プラズマ進行路にバッフル（「遮蔽板」とも称する）が設けられ、ドロップレットの除去効率を向上させている。図１９は、特許文献３に記載される従来の真空アーク蒸着装置におけるプラズマ進行路２０２とバッフル２０３の関係を示す概略図である。プラズマ進行路２０２を形成するステンレスパイプ２０１の内壁にバッフル２０３が設けられ、特許文献３では、バッフルの高さａとバッフル２０３の間隔ｂの比率（ａ／ｂ）を１以上とすることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許６０３１２３９号公報
【特許文献２】特開２００２−８８９３号公報
【特許文献３】特開２００４−２４４６６７号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Aksenov, I.I. et al. 「Transport of plasma streams in a curvilinear plasma-opticcs system」Sov．J．Plasma Phys．4，425-428，(1978)
【非特許文献２】Siemroth,P 「Personal communication on 120-degree Filter」Dresden，Germany，(2003)
【非特許文献３】Aksenov, I.I. et al.「Efficiency of magnetic plasma filter」Surface and Coatings Technology 163-164(2003)118-127
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のプラズマ生成装置では、上述のように、ドロップレットを除去するために、プラズマ進行路にドロップレット捕集部を設ける、またはプラズマ進行路の経路を２回以上湾曲させていた。これらの装置は、大型化すると共に構造が複雑になり、メンテナンス作業の負担を増大させていた。
図１８に示した、特許文献２に記載される従来のプラズマ加工装置では、前述のように、ドロップレット捕集部１５０が設けられ、プラズマ発生部１０２からプラズマ１７１に随伴して進行するドロップレット１３０が直進し、ドロップレット捕集部１５０に捕集されるよう設計されている。しかしながら、ドロップレット捕集部１５０を設けることは、装置の構造を複雑にし、メンテナンス作業やその製造コストを増大させていた。
【０００９】
図２０は、従来のドロップレット捕集部１５０を具備するプラズマ生成装置１０１において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレート図である。図２０では、図１８と同様に、プラズマ進行路１０４が第１プラズマ進行路１０７と第２プラズマ進行路１０９からなり、ドロップレット捕集部１５０が設けられると共に、プラズマの進行方向を変化させ、第２プラズマ進行路１０９とプラズマ加工部１０８の被処理物１１３が直線で結ばれないように設けられたドロップレット除去ダクト１５９が設けられている。しかしながら、ドロップレットは、被処理物１１３に５個到達しており、大幅に低減化されているが、完全には除去されていない。
更に、図１８や図２０に示ししたようなドロップレット捕集部１５０を具備するプラズマ生成装置は、装置内の容量が大きくなり、クリーニング等のメンテナンス作業が増えると共に、真空アーク放電が生起される程度まで減圧する時間及び／又はエネルギー消費が増加するため、ランニングコストを抑制することが困難となっていた。
【００１０】
特許文献３には、図１９に示すように、バッフル２０３を設け、更に、バッフルの高さａとバッフル２０３の間隔ｂの比率（ｂ／ａ）を１以上とすることにより、ドロップレットの除去効率が向上することが記載されている。しかしながら、ドロップレットの除去効率は、バッフル２０３の高さや間隔と共に、プラズマ進行路２０２の経路や構造にも依存している。即ち、特許文献３では、単に、湾曲した経路を有するプラズマ進行路において、バッフル２０３の効率的な配置を示したにものであった。
プラズマ生成装置では、より単純な構造を有するプラズマ進行路において、より効率的にバッフルを配置することにより、製造コストを低減させると共に、高効率にドロップレットを除去することが要求されていた。しかしながら、従来のプラズマ生成装置では、主としてプラズマ進行路の構造をより複雑化して、ドロップレットの除去効率を向上させていた。
【００１１】
従って、本発明の目的は、より単純な構造のプラズマ進行路を有し、比較的安価に製造することができ、且つ容易にメンテナンスを行うことができると共に、高効率にドロップレットを除去することができるプラズマ生成装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するために完成するに到ったものであり、本発明の第１の形態は、カソードターゲットからプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマが進行するプラズマ進行路から構成され、前記カソードターゲットから副生されるドロップレットを衝突させて付着する遮蔽板が前記プラズマ進行路の内壁に複数設けられるプラズマ生成装置において、前記プラズマ進行路が第１プラズマ進行路と第２プラズマ進行路からなり、前記第１プラズマ進行路の終端にその直進方向に対向する終端反射壁が設けられ、前記終端反射壁に沿って前記第２プラズマ進行路が前記第１プラズマ進行路に対し屈曲して接続され、前記終端反射壁に前記遮蔽板を複数配設して前記ドロップレットを反射及び／又は吸着させるプラズマ生成装置である。
【００１３】
本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、前記プラズマ進行路の内壁に対する前記遮蔽板の角度を遮蔽角θとし、前記遮蔽角θが２０°〜３５°、５５°〜６５°、８０°〜１００°、１１５°〜１３０°又は１５０°〜１５５°の範囲にあるプラズマ生成装置である。
【００１４】
本発明の第３の形態は、第１又は第２の形態において、前記遮蔽板の高さＨと隣り合う前記遮蔽板の間隔Ｄの比率Ｄ／Ｈが１〜１．５の範囲にあるプラズマ生成装置である。
【００１５】
本発明の第４の形態は、第1〜３のいずれかの形態において、前記プラズマ進行路の開口面積をＳｏ、前記遮蔽板による遮蔽面積をＳｃ、前記プラズマ進行路の開口率をＳｒ＝Ｓｏ／（Ｓｏ＋Ｓｃ）としたとき、開口率Ｓｒが０．３３〜０．６の範囲にあるプラズマ生成装置である。
【００１６】
本発明の第５の形態は、第１〜４のいずれかの形態において、前記遮蔽板の厚さが４ｍｍ以下であるプラズマ生成装置である。
【００１７】
本発明の第６の形態は、第１〜５のいずれかの形態において、前記第１プラズマ進行路を形成する第１ダクトと前記第２プラズマ進行路を形成する第２ダクトが電気的に絶縁され、前記各ダクトが独立に正電位、負電位又は接地電位に設定されるプラズマ生成装置である。
【００１８】
本発明の第７の形態は、第１〜６のいずれかの形態において、前記第２プラズマ進行路の終端に前記プラズマのスキャン手段を有するスキャン部が設けられるプラズマ生成装置である。
【００１９】
本発明の第８の形態は、第１〜７のいずれかの形態において、前記屈曲部に予備プラズマ進行路が前記第２プラズマ進行路に対して屈曲して接続され、前記予備プラズマ進行路に進行するプラズマを供給する予備プラズマ発生部が設けられ、前記第１プラズマ進行路と前記予備プラズマ進行路の各々の終端に開閉手段が設けられ、前記各開閉手段の一方が閉状態に保持されて前記終端反射壁が形成されるプラズマ生成装置である。
【００２０】
本発明の第９の形態は、第１〜第７のいずれかの形態において、前記プラズマ発生部が第１プラズマ発生室と第２プラズマ発生室からなり、前記各プラズマ発生室が各々のプラズマ供給路を介して前記第１プラズマ進行路の始端に接続され、前記各プラズマ発生室と前記プラズマ供給路の間に供給路開閉手段が設けられるプラズマ生成装置である。
【００２１】
本発明の第１０の形態は、第１〜第９のいずれかの形態において、前記プラズマ発生部に予備ターゲット室が付設され、前記予備ターゲット室と前プラズマ発生部の間に予備室開閉手段が設けられ、前記予備室開閉手段が開状態にあるとき、前記プラズマ発生部から前記予備ターゲット室に及び／又はその逆方向に前記カソードターゲットを搬送するターゲット搬送手段が設けられるプラズマ生成装置である。
【００２２】
本発明の第１１の形態は、第１〜１０の形態のいずれかのプラズマ生成装置に被処理物が配置されるプラズマ加工部が設けられ、前記プラズマ進行路を介する前記カソードターゲットの表面と前記被処理物の表面の距離が８００ｍｍ〜１３００ｍｍの範囲に設定されるプラズマ加工装置である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の第１の形態によれば、前記遮蔽板（「バッフル」とも称される）が前記プラズマ進行路の内壁に複数設けられるプラズマ生成装置において、前記プラズマ進行路が第１プラズマ進行路と第２プラズマ進行路からなり、前記第１プラズマ進行路の終端にその直進方向に対向する終端反射壁が設けられ、前記終端反射壁に沿って前記第２プラズマ進行路が前記第１プラズマ進行路に対し屈曲して接続され、前記終端反射壁に前記遮蔽板を複数配設して前記ドロップレットを反射及び／又は吸着させるから、比較的簡単な構造を有する前記プラズマ進行路において、高効率にドロップレットを除去することができる。
前記プラズマ発生部から第１プラズマ進行路までに壁面に衝突することなく、直進する又は略直進するドロップレットは、前記第１プラズマ進行路の終端に設けられた前記終端反射壁に衝突して運動エネルギーを失い、更にその殆どが第プラズマ進行路をプラズマ発生部の方向へ反射される。反射されたドロップレットは、第１プラズマ進行路やプラズマ発生部の内壁面への衝突を繰り返し、完全に運動量エネルギーを失って装置内の壁面に吸着される。また、第１プラズマ進行路やプラズマ発生部の内壁で衝突を繰り返したドロップレットは、前記終端反射面や第２プラズマ進行路の内壁面に衝突して運動エネルギーを完全に失って吸着除去される。更に、前記遮蔽板が複数設けられるから、前記内壁面の表面積が大きくなり、ドロップレットが前記内壁面に衝突する確率が増大し、ドロップレットの吸着が容易に成る、即ち、比較的簡単な構造を有する前記プラズマ進行路において高効率にドロップレットを除去することができる。
更に、本発明の第１の形態は、第１プラズマ進行路と第２プラズマ進行路が屈曲して接続され、第１プラズマ進行路の終端に終端反射壁が設けられれば良いから、プラズマ進行路の構造が比較的簡単になり、装置のメンテナンス作業が容易になると共に、プラズマ生成装置の製造コストを大幅に低減することができる。
本発明者らの鋭意研究の結果、屈曲するプラズマ進行路に終端反射壁を設けることによって、より複雑な構造を有するプラズマ生成装置と同等又はそれ以上のドロップレット除去効率を有することを明らかにして、本発明を完成するに到ったものである。尚、以下では、第１の形態のプラズマ進行路を「終端反射壁フィルタ」と称する。
例えば、特許文献２に記載されるＴ型フィルタを有するプラズマ生成装置と、本発明に係る終端反射壁フィルタを比較すると、遮蔽板が複数設けられた場合、略同程度のドロップレット除去効率を有することを明らかにしている。即ち、より簡単な構造を有する終端反射壁フィルタが、より複雑な構造を有するＴ型フィルタと同程度のドロップレット除去効率を有しており、プラズマ生成装置の製造コストを低減化できると共に、好適なドロップレット除去効率を実現することができる。更に、終端反射壁フィルタでは、Ｔ型フィルタにおけるドロップレット捕集部のような余計な空間がないため、クリーニング等のメンテナンス作業が簡単になると共に、真空アーク放電が生起される程度まで減圧する時間及び／又はエネルギー消費が低減化され、ランニングコストを抑制することができる。
更に、湾曲したプラズマ進行路を有するプラズマ生成装置より、プラズマの除去効率が高く、終端反射壁フィルタは、比較的簡単な構造で高いドロップレット除去効率を有することができる。
【００２４】
本発明の第２の形態によれば、前記プラズマ進行路の内壁に対する前記遮蔽板の角度を遮蔽角θとし、前記遮蔽角θが２０°〜３５°、５５°〜６５°、８０°〜１００°、１１５°〜１３０°又は１５０°〜１５５°の範囲にあるから、前記遮蔽板により高効率にドロップレットを除去することができる。本発明者らは、ドロップレットの除去効率に関するシミュレーションにより、プラズマが照射される被処理物までのドロップレット到達率が前記遮蔽角θに対して、ほぼ周期的に向上することを明らかにして、本発明を完成するに到った。シミュレーションでは、プラズマ進行路における開口径を一定にして、前記遮蔽角を変化させて、ドロップレットの除去効率を導出している。
【００２５】
本発明の第３の形態によれば、前記遮蔽板の高さＨと隣り合う前記遮蔽板の間隔Ｄの比率Ｄ／Ｈが１〜１．５の範囲にあるから、ドロップレットの除去効率をより向上させることができる。終端反射壁フィルタを有するプラズマ生成装置において、前記遮蔽板の高さＨと前記間隔Ｄの大きさを変化させ、より好適な比率Ｄ／Ｈを調べた結果、ドロップレットの除去効率は、比率Ｄ／Ｈが約１．２５のときをピークとして、−０．２５〜＋０．２５の幅を有している。より好ましくは、比率Ｄ／Ｈが１．２５のときをピークとして、−０．１〜＋０．１の幅を有し、１．１５〜１．３５の範囲に設定される。
【００２６】
本発明の第４の形態によれば、前記プラズマ進行路の開口面積をＳｏ、前記遮蔽板による遮蔽面積をＳｃ、前記プラズマ進行路の開口率をＳｒ＝Ｓｏ／（Ｓｏ＋Ｓｃ）としたとき、開口率Ｓｒが０．３３〜０．６の範囲にあるから、ドロップレットを好適に除去できるとともに、前記開口率が所定の範囲にあるから、プラズマの供給量を所望の値以上に保持することができる。
【００２７】
本発明の第５の形態によれば、前記遮蔽板の厚さが４ｍｍ以下であるから、前記遮蔽板によって、より効率的にドロップレットを捕集することができる。前記遮蔽板の厚さが４ｍｍを越えると、遮蔽板端面におけるドロップレットの反射が無視できなくなり、前記遮蔽板によるドロップレットの捕集効率を低減化させる原因となっていた。
【００２８】
本発明の第６の形態によれば、前記第１プラズマ進行路を形成する第１ダクトと前記第２プラズマ進行路を形成する第２ダクトが電気的に絶縁され、前記各ダクトが独立に正電位、負電位又は接地電位に設定されるから、より高効率にプラズマをプラズマ進行路の終端へ誘導することができる。即ち、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。正負の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。
【００２９】
本発明の第７の形態によれば、前記第２プラズマ進行路の終端に前記プラズマのスキャン手段を有するスキャン部が設けられるから、前記プラズマを被処理物の表面にスキャンしながら照射することができ、均質な被膜を作成することができる。前記スキャン手段としては、プラズマの直進方向をｚ軸方向としたとき、ｘ軸方向とｙ軸方向の磁場を印加し、その強度と向きを自在に変更できる電磁石等を配置することができる。ｘ軸方向及び／又はｙ軸方向の磁場を振動させることにより、プラズマを繰り返しスキャンさせることができる。
【００３０】
本発明の第８の形態によれば、前記屈曲部に予備プラズマ進行路が前記第２プラズマ進行路に対して屈曲して接続され、前記予備プラズマ進行路に進行するプラズマを供給する予備プラズマ発生部が設けられ、前記第１プラズマ進行路と前記予備プラズマ進行路の各々の終端に開閉手段が設けられ、前記各開閉手段の一方が閉状態に保持されて前記終端反射壁が形成されるから、装置内を真空に保持したまま又は所望のガスを封入したまま、カソードターゲットを簡単に交換することができ、プラズマの生成を短時間で再開することができる。即ち、第１プラズマ進行路終端の開閉手段を閉じ、予備プラズマ進行路終端の開閉手段を開けることにより、終端反射壁を切り替えると同時に、プラズマ発生部を予備プラズマ発生部に切り替えることができ、終端反射壁フィルタにより、ドロップレットを高効率に除去することができる。また、２種類のカソードターゲットを、夫々、プラズマ発生部と予備プラズマ発生部に配置することができる。
【００３１】
本発明の第９の形態によれば、前記プラズマ発生部が第１プラズマ発生室と第２プラズマ発生室からなり、前記各プラズマ発生室が各々のプラズマ供給路を介して前記第１プラズマ進行路の始端に接続され、前記各プラズマ発生室と前記プラズマ供給路の間に供給路開閉手段が設けられるから、プラズマ進行路や発生室を真空に保持したまま、カソードターゲットを簡単に交換することができ、プラズマの生成を短時間で再開することができる。更に、前記第８の形態と同様に、２種類のカソードターゲットを、夫々、第１プラズマ発生室と第２プラズマ発生室に配置することが可能である。
【００３２】
本発明の第１０の形態によれば、前記プラズマ発生部に予備ターゲット室が付設され、前記予備ターゲット室と前プラズマ発生部の間に予備室開閉手段が設けられ、前記予備室開閉手段が開状態にあるとき、前記プラズマ発生部から前記予備ターゲット室に及び／又はその逆方向に前記カソードターゲットを搬送するターゲット搬送手段が設けられるから、装置内を真空状態に保持しながら、チャンバを開放することなく、カソードターゲットを交換することができる。即ち、ロードロックチャンバを構成することができ、大気への開放と、真空引きが繰り返されることがなく、効率的にプラズマを生成することができる。
【００３３】
本発明の第１１の形態によれば、第１〜１０の形態のいずれかのプラズマ生成装置に被処理物が配置されるプラズマ加工部が設けられ、前記プラズマ進行路を介する前記カソードターゲットの表面と前記被処理物の表面の距離（以下、「プラズマ輸送距離」と称する）が８００ｍｍ〜１３００ｍｍの範囲に設定されるから、ドロップレットの所定値以下に低減できると共に、プラズマの高い輸送効率を実現することができる。前記プラズマ輸送距離が８００ｍｍ未満の場合、ドロップレットの除去を十分に行うことができず、前記プラズマ輸送距離が１３００ｍｍを越える場合、真空アーク放電が発生する状態まで減圧する時間が増大し、装置の大型化によってメンテナンス作業等の負担も大きくなっていた。従って、前記プラズマ輸送距離が８００ｍｍ〜１３００ｍｍの範囲にある場合、好適なドロップレットの除去効率を実現できると共に、ランニングコストの低減化を図ることができる。
更に、前記プラズマ輸送距離が８００ｍｍ〜１０００ｍｍであることがより好ましく、１０００ｍｍ以下の場合、好適なドロップレットの除去効率を有すると共に、高いプラズマの輸送効率をより確実に実現することできる。また、前記プラズマ輸送距離が１０００ｍｍ以下の場合、装置の小型化を図ることができ、メンテナンス作業等をより軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、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。
【図２】図２は、図１に示した第１実施形態のプラズマ生成装置において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレーション図である。
【図３】図３は、比較例として、ドロップレット捕集部が設けられた従来のプラズマ装置において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレーション図である。
【図４】図４は、比較例として、プラズマ進行路が湾曲する従来のプラズマ装置５２において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレーション図である。
【図５】図５は、比較例として、遮蔽板の無い終端反射壁を有するプラズマ進行路４を有するプラズマ装置において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレーション図である。
【図６】図６は、本発明の第１実施形態において、内壁に対する遮蔽板の角度を変化させたときに第２プラズマ進行路の終端に到達するドロップレット数をプロットしたグラフ図である。
【図７】図７は、本発明に係るプラズマ生成装置において、遮蔽板の高さＨと間隔Ｄを変化させ、第２プラズマ進行路の終端に到達するドロップレット数をプロットしたグラフ図である。
【図８】図８は、本発明に係る遮蔽板の厚みを変化させたときのドロップレット数の変化をプロットしたグラフ図である。
【図９】図９は、本発明に係る終端反射壁を有するプラズマ進行路の曲げ角度を変化させてドロップレット数をプロットしたグラフ図である。
【図１０】図１０は、比較例１として、湾曲状のプラズマ進行路５４を有する湾曲型プラズマ生成装置に遮蔽板を設けた場合において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレーション図である。
【図１１】図１１は、比較例２、３として、他の湾曲状のプラズマ進行路を有する湾曲型プラズマ装置に遮蔽板を設けた場合において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレーション図である。
【図１２】図１２は、本発明の第１実施形態（実施例）と比較例において、第２プラズマ進行路の終端に到達するドロップレット数を比較したグラフ図である。
【図１３】図１３は、本発明の第２実施形態に係るプラズマ生成装置の構成概略図である。
【図１４】図１４は、本発明の第３実施形態に係るプラズマ生成装置の構成概略図である。
【図１５】図１５は、本発明の第４実施形態に係るプラズマ生成装置の構成概略図である。
【図１６】図１６は、本発明に係るプラズマ進行路の斜視概略図である。
【図１７】図１７は、本発明に係るプラズマ生成装置において予測されるプラズマ輸送距離（ｍｍ）と成膜レート（ｎｍ／ｓ）の関係を示すグラフ図である。
【図１８】図１８は、特許文献２に記載される従来のプラズマ加工装置の構成概略図である。
【図１９】図１９は、特許文献３に記載される従来の真空アーク蒸着装置におけるプラズマ進行路とバッフルの関係を示す概略図である。
【図２０】図２０は、従来のドロップレット捕集部を具備するプラズマ生成装置において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレーション図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
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は本発明の第１実施形態に係るプラズマ生成装置１の構成概略図である。第１実施形態のプラズマ生成装置１は、プラズマ発生部２と終端反射壁３１を有するプラズマ進行路４から構成され、更に、プラズマ進行路４には、照射部６を介して被処理物１３が配設されたプラズマ加工部８が接続されている。プラズマ発生部２には、カソードターゲット３とアノード５、５が配設され、カソードターゲット３の表面とアノード５、５の間に真空アークが発生することによりプラズマが生成されると同時に、ドロップレットが副生される。
プラズマ進行路４では、第１プラズマ進行路７と第２プラズマ進行路９が屈曲部１０で直角に接続され、第１プラズマ進行路７の終端に終端反射壁３１が設けられている。プラズマ発生部２で発生させたプラズマは、プラズマ進行路４を進行すると共に、第１コイル１４及び第２コイル１５の誘導磁場により屈曲部１０で屈曲され、さらにプラズマ加工部の方向へ進行していく。プラズマ進行路を介するカソードターゲット３の表面から被処理物１３の表面までの距離を、プラズマ輸送距離３２と称している。即ち、プラズマの輸送距離３２は、第１プラズマ進行路７の中心線と第２プラズマ進行路９の中心線を介して、カソードターゲット３の表面と被処理物１３の表面の中心を結ぶ距離である。
【００３６】
図１のカソードターゲット３から第１プラズマ進行路に沿って直進する直進ドロップレット３０は、終端反射壁３１で反射された後、第１プラズマ進行路７の方向に進行し、反射を繰り返しながら運動エネルギーを失っていくことが予測され、副生されたドロップレットの殆どは反射を繰り返した後にプラズマ進行路４などの内壁面に吸着されて除去される。終端反射壁３１で反射されたドロップレットのうち、一部は第２プラズマ進行路９に進入するが、第２プラズマ進行路で反射を繰り返し、運動エネルギーを失って遮蔽壁１２を含むプラズマ進行路４の内壁面に吸着されて除去される。即ち、終端反射壁３１を有するプラズマ進行路４を形成する進行路ダクト１１の内壁には、遮蔽板１２が設けられ、衝突するドロップレットを吸着除去することができる。
【００３７】
図１において、プラズマ進行路４を形成する進行路ダクト１１は、第１プラズマ進行路７を形成する第１ダクト７ａと第２プラズマ進行路９を形成する第２ダクト９ａからなり、接続部３４でフランジにより接続されている。前記進行路ダクト１１は、プラズマ発生部接続部４０のフランジでプラズマ発生部２と接続され、スキャン部接続部３８のフランジでスキャン部ダクト３７と接続されている。従って、接続部３４、スキャン部接続部３８及びプラズマ発生部接続部４０の各接続部では、絶縁部材（図示せず）を用いることにより、ダクト間を電気的に遮断することが可能であり、各ダクトを独立に正負いずれかの電位又は接地電位に設定することができる。
例えば、第１ダクト７ａと第２ダクト９ａが絶縁部材（図示せず）により電気的に遮断される場合、第１ダクト７ａを正電位に、第２ダクト９ａを接地電位に設定することができる。正電位の場合には、プラズマ中の＋イオンを輸送方向に押し出す効果がある。
更に、スキャン部２９を形成するスキャン部ダクト３７と照射部６を形成する照射部ダクト１８も照射部接続部３９のフランジで接続されており、同様に、絶縁部材により電気的に遮断することが可能である。例えば、各ダクトは、プラズマが誘導される被処理物１３に向かって、段階的により高い正電位から低い正電位に設定され、被処理物１３の直前にある照射部ダクト１８が接地電位に設定され、プラズマ中の＋イオンを被処理物１３の方向に押し出すことができる。
尚、負電位の場合にはプラズマ中の電子を輸送方向に押し出す効果があり、正負のいずれを選択するかはプラズマの輸送効率を低下させないよう、プラズマの状態で判断される。
【００３８】
図１６は、本発明に係るプラズマ進行路４の斜視概略図である。（１６Ａ）では、円筒状の第１プラズマ進行路７に円筒状の第２プラズマ進行路９が接続されており、第１プラズマ進行路７を形成する円筒の終端が終端反射壁３１となっている。（１６Ｂ）では、屈曲部１０を構成する第１プラズマ進行路の終端部が、第２プラズマ進行路を形成する円筒の始端部分からなり、終端反射壁３１は、円筒の側面から形成されている。終端反射面３１は第１プラズマ進行路７を直進してくるドロップレットを反対方向に反射するよう形成されていれば良く、（１６Ｂ）のように曲面から形成されていても良い。
【００３９】
更に、図１では、スキャン部２９が設けられた照射部６には、照射部第１コイル１６、１６、照射部第２コイル１９、１９及び照射部第３コイル２０が設けられ、スキャン手段としてスキャン用磁場発生器３６、３６が配設されている。スキャン用磁場発生器３６、３６の間に偏向磁場を形成し、偏向磁場の強度と方向を変化させることにより、プラズマを被処理物１３の表面に照射しながらスキャンすることができ、均質な被膜を作成することができる。また、照射部６を構成する照射部ダクト１８には、複数の照射部遮蔽板１７が設けられており、衝突するドロップレットを吸着除去することができ、プラズマに随伴して進行するドロップレットをより低減化するができる。
【００４０】
図２は、図１に示した第１実施形態のプラズマ生成装置１において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレーション図である。本発明の第１実施形態の除去効率を検証するために、プラズマ進行路４を二次元的に表現し、カソードターゲット３から副生されたドロップレットの軌跡を前記非特許文献３に記載される手法に基いて計算している。カソードターゲット３の表面に等間隔で配列された２００個の質点の各々が前記表面に対して飛散角度αで飛散したときの軌跡がドロップレットの軌跡として計算されている。飛散角度αは４５°〜１３５°の範囲に設定され、この範囲で約０．９１°毎に飛散角度αの異なるドロップレットの軌跡が配列された各質点に対して計算されており、２００００個の軌跡が計算されている。各方向へのドロップレットの初速度は３００ｍ／ｓに設定され、壁面への衝突で速さが半減し、速さが１ｍ／ｓ以下となったときに、ドロップレットは失活して壁面に吸着されるものとしている。即ち、９回の衝突でドロップレットは失活すると仮定している。以下、特に断らない限り、図２と同じ条件でドロップレットの軌跡が計算されている。
【００４１】
図２に示すように、図１のプラズマ生成装置１では、ドロップレット３０が被処理物１３に到達しておらず、シミュレーションでは、１００％の除去効率を有することが示されている。プラズマ進行路４の終端近くまでは、飛散するドロップレットの軌跡により黒く塗りつぶされているが、スキャン部１７の入口側では軌跡が殆ど消滅しており、プラズマ進行路４において殆どのドロップレットが除去されていることが分かる。即ち、第１実施形態の終端反射壁３１を有するプラズマ進行路４は、ドロップレットのフィルタとして高い除去効率を有しており、複数の遮蔽板１２が設けられ、直角に屈曲したプラズマ進行路４の終端反射壁３１に衝突させることにより、プラズマ進行路４の終端までにドロップレットを高効率で吸着除去することができる。
【００４２】
図３は、比較例として、ドロップレット捕集部５０が設けられた従来のプラズマ装置５１において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレーション図である。図３のプラズマ生成装置５１では、ドロップレット捕集部５０が設けられている以外は、図２のプラズマ生成装置とほぼ同じ構造を有し、遮蔽板１２もほぼ同じピッチで設けられている。ドロップレット捕集部５０を有するプラズマ生成装置５１では、図２に示した本発明の実施形態１とほぼ同程度の除去効率を有することが分かる。即ち、第１の実施形態１は、より簡単な構造の終端反射壁フィルタを有するとともに、ドロップレット捕集部５０を有する従来のプラズマ生成装置と同程度の除去効率を有するから、装置の製造コストを低減化できると共に、ドロップレット捕集部５０にプラズマが進入して、プラズマの輸送効率が低減することが抑制される。
【００４３】
図４は、比較例として、プラズマ進行路５４が湾曲する従来のプラズマ装置５２において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレーション図である。この従来のプラズマ装置５２には、遮蔽板が設けられておらず、主にプラズマ進行路５４の構造に依存したドロップレットの除去効率を比較するために、計算されたものである。
プラズマ進行路５４の内壁の接線とカソードターゲット３の表面に垂直な軸とがなす角は様々であり、ドロップレットが内壁に衝突する際の入射角も様々である。その為、ドロップレットが内壁で反射して被処理物１３へ向かう軌跡が存在してしまうことになる。湾曲したプラズマ進行路５４の終端に到達したドロップレットの数は、４４２５個であった。
【００４４】
図５は、比較例として、遮蔽板の無いＬ字状プラズマ進行路４を有するプラズマ装置５５において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレーション図である。第１プラズマ進行路７と第２プラズマ進行路９からなるプラズマ進行路４の場合は、各進行路で内壁がカソードターゲット３の表面に垂直な軸となす角は一様である。その為、反射により被処理物１３へ向かうドロップレットの入射角は、制限されることになる。シミュレーション結果も湾曲するプラズマ進行路に比べ明らかに良好な結果を示している。プラズマ進行路４の終端を通過するドロップレット数は、２９５個であった。プラズマ進行路４に遮蔽板を設けない場合、被処理物に到達するドロップレットの個数は満足できる量とかけ離れている。
即ち、単にＬ字状プラズマ進行路４を設けるだけでは十分でなく、複数の遮蔽板が設けられることとの相乗効果により、ドロップレットの除去効率が向上する。尚、以下では、特に断らない限り、ドロップレット数は、プラズマ進行路の終端を通過するドロップレットの数を示している。
【００４５】
遮蔽板は以下のような構成にすることで、十分なドロップレット除去能力を得ることが出来る。
図６は、本発明に係るプラズマ生成装置において、内壁に対する遮蔽板の角度（baffle angle）を変化させたときのドロップレット数をプロットしたグラフ図である。ダクト径が８６ｍｍ、遮蔽板の開口径が６６ｍｍ、遮蔽板の間隔を６ｍｍ、厚みを１ｍｍとしている。遮蔽板をカソードターゲット側から被処理物側へ２０°から１６０°まで５°ずつ変化させていくと、遮蔽角θが２０°〜３５°、５５°〜６５°、８０°〜１００°、１１５°〜１３０°又は１５０°〜１５５°の範囲にあるとき、ドロップレットのカウント数が減少しており、ドロップレットの除去効率が格段に向上している。
【００４６】
図７は、本発明に係るプラズマ生成装置において、遮蔽板の高さＨと間隔Ｄ（baffle pitch）を変化させ、プラズマ進行路の終端を通過するドロップレットの数をプロットしたグラフ図である。遮蔽角θを９０°、厚みを１ｍｍとし、遮蔽板の高さＨを８ｍｍ，１０ｍｍ，１２ｍｍ，１４ｍｍのそれぞれで遮蔽板の間隔Ｄを６ｍｍから１８ｍｍの間で変化させた。すべての場合で、遮蔽板の高さＨと間隔Ｄの比が１．２５になるとき、プラズマ進行路４を通過するドロップレットの数が減少する結果を得た。図７の丸で囲った箇所が、明らかにディップとなっていることがわかる。ドロップレットの除去効率は、比率Ｄ／Ｈが約１．２５のときをピークとして、−０．２５〜＋０．２５の幅を有している。より好ましくは、比率Ｄ／Ｈが１．２５のときをピークとして、−０．１〜＋０．１の幅を有し、１．１５〜１．３５の範囲に設定される
【００４７】
図８は、本発明に係る遮蔽板の厚さ（baffle thick）を変化させたときのドロップレット数の変化をプロットしたグラフ図である。ダクト径が８６ｍｍ、遮蔽板の開口径が６６ｍｍ、遮蔽板の間隔を６ｍｍ、遮蔽角θを９０°として、厚みを１ｍｍから８ｍｍに１ｍｍずつ変化させていく。その結果、厚みが増すにつれてプラズマ進行路を通過するドロップレットの量が増えていく。特に、３ｍｍを越えると急激な上昇を示し、４ｍｍを越えると被処理物に到達するドロップレット数が１００以上となる。従って、遮蔽板の厚さは、４ｍｍ以下、より好ましくは３ｍｍ以下である場合に、ドロップレットを高効率に除去することができる。
【００４８】
図９は、本発明に係るプラズマ進行路の曲げ角度（duct angle）を変化させてドロップレット数をプロットしたグラフ図である。プラズマ進行路の曲げ角度は、７０°から１００°の間が好ましい。角度は小さすぎても大きすぎても、ドロップレットが基板に到達してしまう。より好ましい角度は９０°±１０°であり、本発明に係るプラズマ進行路では、曲げ角度が９０°±１０°に設定されている。即ち、第１プラズマ進行路と第２プラズマ進行路が屈曲部で直角又は略直角に接続されている。
【００４９】
図１０は、比較例１として、湾曲状のプラズマ進行路５４を有する湾曲型プラズマ生成装置５６に遮蔽板１２を設けた場合において、プラズマ進行路の終端を通過するドロップレット数を計算したシミュレーション図である。薄いグレーが被処理物１３に到達したドロップレットの軌跡であり、濃いグレーが被処理物１３に到達しなかったドロップレットの軌跡である。図１０に示すように、湾曲状のプラズマ進行路５４を有する湾曲型プラズマ装置５６に遮蔽板１２を設けても、多くのドロップレットがプラズマ進行路５４を通過して、さらにプラズマ加工部８にまで進行している。このシミュレーションでは、プラズマ進行路の終端を通過するドロップレット数が４０５個となっている。
【００５０】
図１１は、比較例２、３として、他の湾曲状のプラズマ進行路５４を有する湾曲型プラズマ装置５６、５７に遮蔽板１２を設けた場合において、プラズマ進行路の終端を通過するドロップレット数を計算したシミュレーション図である。図１０と同様に、薄いグレーが被処理物１３に到達したドロップレットの軌跡であり、濃いグレーが被処理物１３に到達しなかったドロップレットの軌跡である。（１１Ａ）の比較例２では、１２０°で湾曲するプラズマ進行路５４が設けられ、（１１Ｂ）の比較例３では、２回湾曲するプラズマ進行路５４が設けられている。（１１Ａ）では、１８１個のドロップレットが、（１１Ｂ）では、３１個のドロップレットが到達している。即ち、比較例２、３においてもドロップレットを完全には除去できないことが分かった。
【００５１】
図１２は、本発明の第１実施形態（実施例）と比較例において、プラズマ進行路の終端を通過するドロップレット数を比較したグラフ図である。比較例としては、図１０と図１１に示した比較例１〜３と共に、図２０に示したプラズマ生成装置における計算結果を比較例Ａとして追加している。実施例は、図２に示した計算結果を示している。図１２に示すように、実施例であるＬ字状プラズマ進行路からなる終端反射壁フィルタは、ドロップレット数が０であり、ドロップレット除去効率が最も高いことを示している。更に、実施例であるプラズマ生成装置は、図２に示すように、最も簡単な構造を有することから、より高いプラズマの輸送効率を有している。
【００５２】
図１３は、本発明の第２実施形態に係るプラズマ生成装置１の構成概略図である。尚、図１と同一の機能を有する部材には、以下、特に断らない限り、同一の符号を付しており、それらの部材に関する説明は、一部省略する。図１３のプラズマ生成装置１では、図１のプラズマ生成装置に対して、予備カソードターゲット２３とアノード２５、２５が配設された予備プラズマ発生部２２が設けられている。更に、第１プラズマ進行路７の始端と終端に、開閉手段として、始端側ゲートバルブ２６と終端側ゲートバルブ２７が設けられ、同様に、予備プラズマ進行路２１の始端と終端には、始端側ゲートバルブ２４と終端側ゲートバルブ２８が設けられている。従って、少なくとも予備プラズマ進行路２１の終端側ゲートバルブ２８が閉状態にあり、第１プラズマ進行路７の始端側ゲートバルブ２６と終端側ゲートバルブ２７が開状態にあれば、プラズマ進行路４が形成され、ドロップレットを高効率に除去すると共に、プラズマの好適な輸送効率を保持することができる。即ち、終端側ゲートバルブ２７と終端側ゲートバルブ２８は、閉状態で終端反射壁として機能する。
更に、第１プラズマ進行路７の終端側ゲートバルブ２７を閉状態とし、予備プラズマ進行路２１の始端側ゲートバルブ２４と終端側ゲートバルブ２８を開状態とすれば、予備プラズマ進行路２１を含む終端反射壁を有するプラズマ進行路４が形成される。従って、予備カソードターゲット２３からプラズマを生成することができる。２種以上のプラズマを用いて、被処理物１３の表面処理を行う場合や、長時間に亘ってプラズマ処理を行う場合に、プラズマ生成装置１のチャンバが開放されないから、簡単にカソードターゲットを交換できると共に、装置内を比較的クリーンに保持することができる。更に、各ゲートバルブの開閉を調整し、プラズマの供給源をプラズマ発生部２から予備プラズマ発生部２２に速やかに切り替えることにより、連続的又は断続的にプラズマを供給して被処理物１３のプラズマ処理を行うことができる。
【００５３】
図１４は、本発明の第３実施形態に係るプラズマ生成装置１の構成概略図である。第３実施形態では、プラズマ発生部２が第１プラズマ発生室６２と第２プラズマ発生室６３から構成されている。第２プラズマ発生室６３には、第１プラズマ発生室６２と同様に、カソードターゲット３３とアノード３５、３５が設けられており、第１供給路４７と第２供給路４８から２種類のプラズマ又は多量のプラズマを同時に発生させることができる。更に、第１プラズマ発生室６２と第２プラズマ発生室６３には、夫々、第１ゲートバルブ４４と第２ゲートバルブが設けられている。従って、第１プラズマ発生室６２におけるプラズマの生成が完了すると同時に又は順次、第１ゲートバルブ４４を開状態から閉状態とし、第２ゲートバルブを閉状態から開状態とすることにより、連続的又は断続的にプラズマを供給してプラズマ処理を行うことができる。
【００５４】
図１５は、本発明の第４実施形態に係るプラズマ生成装置１の構成概略図である。図１５の（１５Ａ）及び（１５Ｂ）では、図１のプラズマ生成装置１に対して、予備カソードターゲット４３が配設された予備ターゲット室４２が付設されている。（１５Ａ）では、プラズマ発生部２のカソードターゲット側に予備ターゲット室４２が設けられ、（１５Ｂ）プラズマ発生部２のアノード側に予備ターゲット室４２が設けられている。プラズマ発生部２と予備ターゲット室４２の間には、開閉手段として、ゲートバルブ４６が設けられている。更に、図示していないが、カソードターゲット３及び／又は予備カソードターゲット４３を搬送するターゲット搬送手段が設けられている。従って、ロードロックで真空状態を保持したまま、プラズマ発生部２と予備ターゲット室４２の間でカソードターゲット３及び／又は予備カソードターゲット４３を搬送し、交換又は供給することができる。装置を開放することがないため、装置内をクリーンに保持することができる。更に、比較的に簡単且つ速やかに、カソードターゲット３を予備カソードターゲット４３に交換することが可能であることから、ほぼ連続的又は断続的にプラズマを供給して被処理物１３のプラズマ処理を行うことができる。
【００５５】
図１７は、本発明に係るプラズマ生成装置において予測されるプラズマ輸送距離（ｍｍ）と成膜レート（ｎｍ／ｓ）の関係を示すグラフ図である。グラフ中の直線は、従来のプラズマ生成装置におけるプラズマ輸送距離と成膜レートのデータから外挿して得られた直線である。ここで、成膜レート（ｎｍ／ｓ）とは、前記被処理物の表面にプラズマを照射して、成膜したときの成膜速度である。
従来のプラズマ生成装置では、プラズマ輸送距離が１３００ｍｍ以上であった。プラズマ輸送距離とは、前述のように、前記プラズマ進行路４を介するカソードターゲット３の表面と前記被処理物１３の表面の距離であり、各ダクトの中心と通りカソードターゲット３と被処理物１３の表面の中心を結んだ距離となる。
従来のプラズマ生成装置（例えば、図１０の湾曲型プラズマ生成装置）では、所定以上のプラズマ輸送距離が無いと、ドロップレットの除去が十分に行えないため、グラフのプロットから明らかなように、プラズマ輸送距離が１３００ｍｍよりも長く設定されていた。しかしながら、プラズマ輸送距離が１３００ｍｍを越える場合、成膜レートは１ｎｍ／ｓ未満となっていた。
【００５６】
本発明に係るプラズマ生成装置では、終端反射壁フィルタが設けられると共に、プラズマ輸送距離が１３００ｍｍ以下に設定されている。図１７のグラフの直線から明らかのように、プラズマ輸送距離が１３００ｍｍ以下では１ｎｍ／ｓ以上の成膜レートが実現可能であり、さらに、終端反射壁フィルタにより高いドロップレット除去効率を実現することができる。プラズマ生成装置を用いた成膜では、純度の高いプラズマでの１ｎｍ／ｓ以上の成膜レートが要求されていた。プラズマ輸送距離が１３００ｍｍのとき、グラフでは、約１．２２ｎｍ／ｓ程度の成膜レートとなることが見積もられる（図中の点線の位置）。尚、プラズマ輸送距離が８００ｍｍ未満の場合、ドロップレットの除去効率が低下し、ドロップレットの混入が無視できない程度になることがシミュレーションから明らかになっている。
更に、前記プラズマ輸送距離が８００ｍｍ〜１０００ｍｍであることがより好ましく、１０００ｍｍ以下の場合、３ｎｍ／ｓ以上の成膜レートが実現可能であることが示されている。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明によれば、高いプラズマの輸送効率を保持しながら、ドロップレットを高効率に除去することができ、比較的簡単な構造を有するプラズマ生成装置を提供することができる。プラズマの発生時に副生されるドロップレットは、プラズマを磁場により複雑な経路に沿って誘導したり、プラズマを発生させるアーク電流を小さくすることにより抑制することが、一般的な除去方法であったが、プラズマの輸送効率を低下させていた。本発明者らは、鋭意研究の結果、高いプラズマの輸送効率を保持しながら、ドロップレットを除去することができるプラズマ生成装置を完成するに到った。従って、例えば、プラズマ処理によるハードディスク表面保護膜の成膜過程において、好適な成膜速度を保持することができ、ドロップレットの除去効率が高いことから、プラズマ処理を、これまで実用化されてこなかったディスク媒体等の表面処理に利用することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１ プラズマ生成装置
２ プラズマ発生部
３ カソードターゲット
４ プラズマ進行路
５ アノード
６ 照射部
７ 第１プラズマ進行路
７ａ 第１進行路ダクト
８ プラズマ加工部
９ 第２プラズマ進行路
９ａ 第２進行路ダクト
１０ 屈曲部
１１ 進行路ダクト
１２ 遮蔽板
１３ 被処理物
１４ 第１コイル
１５ 第２コイル
１６ 照射部第１コイル
１７ 照射部遮蔽板
１８ 照射部ダクト
１９ 照射部第２コイル
２０ 照射部第３コイル
２１ 予備プラズマ進行路
２２ 予備プラズマ発生部
２３ 予備カソードターゲット
２４ 始端側ゲートバルブ
２６ 始端側ゲートバルブ
２７ 終端側ゲートバルブ
２８ 終端側ゲートバルブ
２９ スキャン部
３０ ドロップレット
３１ 終端反射壁
３３ カソードターゲット
３４ 接続部
３５ アノード
３６ スキャン用磁場発生器
３７ スキャン部ダクト
３８ スキャン部接続部
３９ 照射部接続部
４０ プラズマ発生部接続部
４２ 予備ターゲット室
４３ 予備カソードターゲット
４４ 第１ゲートバルブ
４５ 第２ゲートバルブ
４６ ゲートバルブ
４７ 第１供給路
４８ 第２供給路
５０ ドロップレット捕集部
５１ Ｔ型プラズマ生成装置
５２ 湾曲型プラズマ生成装置
５４ プラズマ進行路
５５ 終端反射壁フィルタを有するプラズマ生成装置
５６ 湾曲型プラズマ生成装置
５７ 湾曲型プラズマ生成装置
６２ 第１プラズマ発生室
６３ 第２プラズマ発生室
１０２ プラズマ発生部
１０３ カソードターゲット
１０４ プラズマ進行路
１０５ アノード
１０６ 照射部
１０７ 第１プラズマ進行路
１０８ 加工部
１０９ 第２プラズマ進行路
１１３ 被処理物
１３０ ドロップレット
１５０ 捕集部
１５９ ドロップレット除去ダクト
１７０ トリガ電極
１７１ プラズマ
２０１ ステンレスパイプ
２０２ プラズマ進行路
２０３ バッフル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カソードターゲットからプラズマを発生させるプラズマ発生部と、誘導磁界等によって前記プラズマが進行するプラズマ進行路から構成され、前記プラズマ進行路に前記カソードターゲットで副生されるドロップレットを除去するフィルタ機能が付与されたプラズマ生成装置に関し、更に詳細には、前記プラズマ進行路の内壁やその内壁に設けられた遮蔽板にドロップレットを衝突させて、前記ドロップレットを除去するプラズマ生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空アーク放電では、カソードターゲットの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）の大きさのマクロパーティクルと称される（以下、「ドロップレット」と称する）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。このドロップレットが基板に到達することを防ぐために、１９７０年代から様々な手法が採用されている。後述するように、Aksenov，I．I．et al．「Transport of plasma streams in a curvilinear plasma-opticcs system」，Sov．J．Plasma Phys．4，425-428，（1978）（非特許文献１）、Siemroth，P 「Personal communication on 120-degree Filter」Dresden，Germany，(2003)（非特許文献２）、Aksenov，I．I．et al.「Efficiency of magnetic Plasma filter」Surface and Coatings Technology 163-164，118-127，(2003)（非特許文献３）及び米国特許６０３１２３９号公報（特許文献１）等には、前記ドロップレットを除去するためにフィルターダクトを設けたプラズマ生成装置が記載されている。
【０００３】
フィルターダクトを有するプラズマ生成装置では、プラズマが磁界によりフィルターダクト内のプラズマ進行路に沿って誘導され、プラズマのみがプラズマ進行路の終端まで誘導されるよう前記プラズマ進行路が設計される。プラズマ進行路が湾曲するフィルターダクトの形状には、後述するように、９０°の曲がりを有するもの（非特許文献１）、１２０°の曲がりを有するもの（非特許文献２）、そして二回の曲がりを有するもの（特許文献１）等がある。更に、非特許文献３には、プラズマ進行路の構造等からドロップレットの除去効率を計算する方法が記載されている。
【０００４】
特開２００２−８８９３号公報（特許文献２）には、ドロップレットの除去効率をより向上させる方法として、Ｔ型フィルタ（T-type filter：ＴＴＦ）を有するプラズマ加工装置が記載されている。図１８は、特許文献２に記載され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１０２では、トリガ電極１７０がカソードターゲット１０３に接触して電気スパークが生起され、カソードターゲット１０３とアノード１０５の間に真空アークが発生することによりプラズマ１７１が生成されると同時に、ドロップレット１３０が副生される。図１８のＴＴＦは、９０°に折れ曲るプラズマ進行路１０４にドロップレット捕集部１５０が付設され、Ｔ字状の構造が形成されている。即ち、ＴＴＦでは、ドロップレット１３０を捕獲するスペースが設けられている。従って、ＴＴＦでは、プラズマ１７１を構成する荷電粒子の進行方向が電磁場によって屈曲され、中性粒子のドロップレット１３０が直進することにより分離され、さらにドロップレット捕集部１５０に捕獲される。従って、加工部１０８に配設された被処理物１１３に到達するドロップレット１３０の量が低減されていた。
【０００５】
特開２００４−２４４６６７号公報（特許文献３）に記載される真空アーク蒸着装置では、湾曲するプラズマ進行路が形成されると共に、プラズマ進行路にバッフル（「遮蔽板」とも称する）が設けられ、ドロップレットの除去効率を向上させている。図１９は、特許文献３に記載される従来の真空アーク蒸着装置におけるプラズマ進行路２０２とバッフル２０３の関係を示す概略図である。プラズマ進行路２０２を形成するステンレスパイプ２０１の内壁にバッフル２０３が設けられ、特許文献３では、バッフルの高さａとバッフル２０３の間隔ｂの比率（ａ／ｂ）を１以上とすることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許６０３１２３９号公報
【特許文献２】特開２００２−８８９３号公報
【特許文献３】特開２００４−２４４６６７号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Aksenov, I.I. et al. 「Transport of plasma streams in a curvilinear plasma-opticcs system」Sov．J．Plasma Phys．4，425-428，(1978)
【非特許文献２】Siemroth,P 「Personal communication on 120-degree Filter」Dresden，Germany，(2003)
【非特許文献３】Aksenov, I.I. et al.「Efficiency of magnetic plasma filter」Surface and Coatings Technology 163-164(2003)118-127
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のプラズマ生成装置では、上述のように、ドロップレットを除去するために、プラズマ進行路にドロップレット捕集部を設ける、またはプラズマ進行路の経路を２回以上湾曲させていた。これらの装置は、大型化すると共に構造が複雑になり、メンテナンス作業の負担を増大させていた。
図１８に示した、特許文献２に記載される従来のプラズマ加工装置では、前述のように、ドロップレット捕集部１５０が設けられ、プラズマ発生部１０２からプラズマ１７１に随伴して進行するドロップレット１３０が直進し、ドロップレット捕集部１５０に捕集されるよう設計されている。しかしながら、ドロップレット捕集部１５０を設けることは、装置の構造を複雑にし、メンテナンス作業やその製造コストを増大させていた。
【０００９】
図２０は、従来のドロップレット捕集部１５０を具備するプラズマ生成装置１０１において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレート図である。図２０では、図１８と同様に、プラズマ進行路１０４が第１プラズマ進行路１０７と第２プラズマ進行路１０９からなり、ドロップレット捕集部１５０が設けられると共に、プラズマの進行方向を変化させ、第２プラズマ進行路１０９とプラズマ加工部１０８の被処理物１１３が直線で結ばれないように設けられたドロップレット除去ダクト１５９が設けられている。しかしながら、ドロップレットは、被処理物１１３に５個到達しており、大幅に低減化されているが、完全には除去されていない。
更に、図１８や図２０に示ししたようなドロップレット捕集部１５０を具備するプラズマ生成装置は、装置内の容量が大きくなり、クリーニング等のメンテナンス作業が増えると共に、真空アーク放電が生起される程度まで減圧する時間及び／又はエネルギー消費が増加するため、ランニングコストを抑制することが困難となっていた。
【００１０】
特許文献３には、図１９に示すように、バッフル２０３を設け、更に、バッフルの高さａとバッフル２０３の間隔ｂの比率（ｂ／ａ）を１以上とすることにより、ドロップレットの除去効率が向上することが記載されている。しかしながら、ドロップレットの除去効率は、バッフル２０３の高さや間隔と共に、プラズマ進行路２０２の経路や構造にも依存している。即ち、特許文献３では、単に、湾曲した経路を有するプラズマ進行路において、バッフル２０３の効率的な配置を示したにものであった。
プラズマ生成装置では、より単純な構造を有するプラズマ進行路において、より効率的にバッフルを配置することにより、製造コストを低減させると共に、高効率にドロップレットを除去することが要求されていた。しかしながら、従来のプラズマ生成装置では、主としてプラズマ進行路の構造をより複雑化して、ドロップレットの除去効率を向上させていた。
【００１１】
従って、本発明の目的は、より単純な構造のプラズマ進行路を有し、比較的安価に製造することができ、且つ容易にメンテナンスを行うことができると共に、高効率にドロップレットを除去することができるプラズマ生成装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するために完成するに到ったものであり、本発明の第１の形態は、カソードターゲットからプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマが進行するプラズマ進行路から構成され、前記カソードターゲットから副生されるドロップレットを衝突させて付着する遮蔽板が前記プラズマ進行路の内壁に複数設けられるプラズマ生成装置において、前記プラズマ進行路が第１プラズマ進行路と第２プラズマ進行路からなり、前記第１プラズマ進行路の終端にその直進方向に対向する終端反射壁が設けられ、前記終端反射壁に沿って前記第２プラズマ進行路が前記第１プラズマ進行路に対し屈曲して接続され、前記終端反射壁に前記遮蔽板を複数配設して前記ドロップレットを反射及び／又は吸着させるプラズマ生成装置である。
【００１３】
本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、前記プラズマ進行路の内壁に対する前記遮蔽板の角度を遮蔽角θとし、前記遮蔽角θが２０°〜３５°、５５°〜６５°、８０°〜１００°、１１５°〜１３０°又は１５０°〜１５５°の範囲にあるプラズマ生成装置である。
【００１４】
本発明の第３の形態は、第１又は第２の形態において、前記遮蔽板の高さＨと隣り合う前記遮蔽板の間隔Ｄの比率Ｄ／Ｈが１〜１．５の範囲にあるプラズマ生成装置である。
【００１５】
本発明の第４の形態は、第1〜３のいずれかの形態において、前記プラズマ進行路の開口面積をＳｏ、前記遮蔽板による遮蔽面積をＳｃ、前記プラズマ進行路の開口率をＳｒ＝Ｓｏ／（Ｓｏ＋Ｓｃ）としたとき、開口率Ｓｒが０．３３〜０．６の範囲にあるプラズマ生成装置である。
【００１６】
本発明の第５の形態は、第１〜４のいずれかの形態において、前記遮蔽板の厚さが４ｍｍ以下であるプラズマ生成装置である。
【００１７】
本発明の第６の形態は、第１〜５のいずれかの形態において、前記第１プラズマ進行路を形成する第１ダクトと前記第２プラズマ進行路を形成する第２ダクトが電気的に絶縁され、前記各ダクトが独立に正電位、負電位又は接地電位に設定されるプラズマ生成装置である。
【００１８】
本発明の第７の形態は、第１〜６のいずれかの形態において、前記第２プラズマ進行路の終端に前記プラズマのスキャン手段を有するスキャン部が設けられるプラズマ生成装置である。
【００１９】
本発明の第８の形態は、第１〜７のいずれかの形態において、前記屈曲部に予備プラズマ進行路が前記第２プラズマ進行路に対して屈曲して接続され、前記予備プラズマ進行路に進行するプラズマを供給する予備プラズマ発生部が設けられ、前記第１プラズマ進行路と前記予備プラズマ進行路の各々の終端に開閉手段が設けられ、前記各開閉手段の一方が閉状態に保持されて前記終端反射壁が形成されるプラズマ生成装置である。
【００２０】
本発明の第９の形態は、第１〜第７のいずれかの形態において、前記プラズマ発生部が第１プラズマ発生室と第２プラズマ発生室からなり、前記各プラズマ発生室が各々のプラズマ供給路を介して前記第１プラズマ進行路の始端に接続され、前記各プラズマ発生室と前記プラズマ供給路の間に供給路開閉手段が設けられるプラズマ生成装置である。
【００２１】
本発明の第１０の形態は、第１〜第９のいずれかの形態において、前記プラズマ発生部に予備ターゲット室が付設され、前記予備ターゲット室と前プラズマ発生部の間に予備室開閉手段が設けられ、前記予備室開閉手段が開状態にあるとき、前記プラズマ発生部から前記予備ターゲット室に及び／又はその逆方向に前記カソードターゲットを搬送するターゲット搬送手段が設けられるプラズマ生成装置である。
【００２２】
本発明の第１１の形態は、第１〜１０の形態のいずれかのプラズマ生成装置に被処理物が配置されるプラズマ加工部が設けられ、前記プラズマ進行路を介する前記カソードターゲットの表面と前記被処理物の表面の距離が８００ｍｍ〜１３００ｍｍの範囲に設定されるプラズマ加工装置である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の第１の形態によれば、前記遮蔽板（「バッフル」とも称される）が前記プラズマ進行路の内壁に複数設けられるプラズマ生成装置において、前記プラズマ進行路が第１プラズマ進行路と第２プラズマ進行路からなり、前記第１プラズマ進行路の終端にその直進方向に対向する終端反射壁が設けられ、前記終端反射壁に沿って前記第２プラズマ進行路が前記第１プラズマ進行路に対し屈曲して接続され、前記終端反射壁に前記遮蔽板を複数配設して前記ドロップレットを反射及び／又は吸着させるから、比較的簡単な構造を有する前記プラズマ進行路において、高効率にドロップレットを除去することができる。
前記プラズマ発生部から第１プラズマ進行路までに壁面に衝突することなく、直進する又は略直進するドロップレットは、前記第１プラズマ進行路の終端に設けられた前記終端反射壁に衝突して運動エネルギーを失い、更にその殆どが第プラズマ進行路をプラズマ発生部の方向へ反射される。反射されたドロップレットは、第１プラズマ進行路やプラズマ発生部の内壁面への衝突を繰り返し、完全に運動量エネルギーを失って装置内の壁面に吸着される。また、第１プラズマ進行路やプラズマ発生部の内壁で衝突を繰り返したドロップレットは、前記終端反射面や第２プラズマ進行路の内壁面に衝突して運動エネルギーを完全に失って吸着除去される。更に、前記遮蔽板が複数設けられるから、前記内壁面の表面積が大きくなり、ドロップレットが前記内壁面に衝突する確率が増大し、ドロップレットの吸着が容易に成る、即ち、比較的簡単な構造を有する前記プラズマ進行路において高効率にドロップレットを除去することができる。
更に、本発明の第１の形態は、第１プラズマ進行路と第２プラズマ進行路が屈曲して接続され、第１プラズマ進行路の終端に終端反射壁が設けられれば良いから、プラズマ進行路の構造が比較的簡単になり、装置のメンテナンス作業が容易になると共に、プラズマ生成装置の製造コストを大幅に低減することができる。
本発明者らの鋭意研究の結果、屈曲するプラズマ進行路に終端反射壁を設けることによって、より複雑な構造を有するプラズマ生成装置と同等又はそれ以上のドロップレット除去効率を有することを明らかにして、本発明を完成するに到ったものである。尚、以下では、第１の形態のプラズマ進行路を「終端反射壁フィルタ」と称する。
例えば、特許文献２に記載されるＴ型フィルタを有するプラズマ生成装置と、本発明に係る終端反射壁フィルタを比較すると、遮蔽板が複数設けられた場合、略同程度のドロップレット除去効率を有することを明らかにしている。即ち、より簡単な構造を有する終端反射壁フィルタが、より複雑な構造を有するＴ型フィルタと同程度のドロップレット除去効率を有しており、プラズマ生成装置の製造コストを低減化できると共に、好適なドロップレット除去効率を実現することができる。更に、終端反射壁フィルタでは、Ｔ型フィルタにおけるドロップレット捕集部のような余計な空間がないため、クリーニング等のメンテナンス作業が簡単になると共に、真空アーク放電が生起される程度まで減圧する時間及び／又はエネルギー消費が低減化され、ランニングコストを抑制することができる。
更に、湾曲したプラズマ進行路を有するプラズマ生成装置より、プラズマの除去効率が高く、終端反射壁フィルタは、比較的簡単な構造で高いドロップレット除去効率を有することができる。
【００２４】
本発明の第２の形態によれば、前記プラズマ進行路の内壁に対する前記遮蔽板の角度を遮蔽角θとし、前記遮蔽角θが２０°〜３５°、５５°〜６５°、８０°〜１００°、１１５°〜１３０°又は１５０°〜１５５°の範囲にあるから、前記遮蔽板により高効率にドロップレットを除去することができる。本発明者らは、ドロップレットの除去効率に関するシミュレーションにより、プラズマが照射される被処理物までのドロップレット到達率が前記遮蔽角θに対して、ほぼ周期的に向上することを明らかにして、本発明を完成するに到った。シミュレーションでは、プラズマ進行路における開口径を一定にして、前記遮蔽角を変化させて、ドロップレットの除去効率を導出している。
【００２５】
本発明の第３の形態によれば、前記遮蔽板の高さＨと隣り合う前記遮蔽板の間隔Ｄの比率Ｄ／Ｈが１〜１．５の範囲にあるから、ドロップレットの除去効率をより向上させることができる。終端反射壁フィルタを有するプラズマ生成装置において、前記遮蔽板の高さＨと前記間隔Ｄの大きさを変化させ、より好適な比率Ｄ／Ｈを調べた結果、ドロップレットの除去効率は、比率Ｄ／Ｈが約１．２５のときをピークとして、−０．２５〜＋０．２５の幅を有している。より好ましくは、比率Ｄ／Ｈが１．２５のときをピークとして、−０．１〜＋０．１の幅を有し、１．１５〜１．３５の範囲に設定される。
【００２６】
本発明の第４の形態によれば、前記プラズマ進行路の開口面積をＳｏ、前記遮蔽板による遮蔽面積をＳｃ、前記プラズマ進行路の開口率をＳｒ＝Ｓｏ／（Ｓｏ＋Ｓｃ）としたとき、開口率Ｓｒが０．３３〜０．６の範囲にあるから、ドロップレットを好適に除去できるとともに、前記開口率が所定の範囲にあるから、プラズマの供給量を所望の値以上に保持することができる。
【００２７】
本発明の第５の形態によれば、前記遮蔽板の厚さが４ｍｍ以下であるから、前記遮蔽板によって、より効率的にドロップレットを捕集することができる。前記遮蔽板の厚さが４ｍｍを越えると、遮蔽板端面におけるドロップレットの反射が無視できなくなり、前記遮蔽板によるドロップレットの捕集効率を低減化させる原因となっていた。
【００２８】
本発明の第６の形態によれば、前記第１プラズマ進行路を形成する第１ダクトと前記第２プラズマ進行路を形成する第２ダクトが電気的に絶縁され、前記各ダクトが独立に正電位、負電位又は接地電位に設定されるから、より高効率にプラズマをプラズマ進行路の終端へ誘導することができる。即ち、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。正負の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。
【００２９】
本発明の第７の形態によれば、前記第２プラズマ進行路の終端に前記プラズマのスキャン手段を有するスキャン部が設けられるから、前記プラズマを被処理物の表面にスキャンしながら照射することができ、均質な被膜を作成することができる。前記スキャン手段としては、プラズマの直進方向をｚ軸方向としたとき、ｘ軸方向とｙ軸方向の磁場を印加し、その強度と向きを自在に変更できる電磁石等を配置することができる。ｘ軸方向及び／又はｙ軸方向の磁場を振動させることにより、プラズマを繰り返しスキャンさせることができる。
【００３０】
本発明の第８の形態によれば、前記屈曲部に予備プラズマ進行路が前記第２プラズマ進行路に対して屈曲して接続され、前記予備プラズマ進行路に進行するプラズマを供給する予備プラズマ発生部が設けられ、前記第１プラズマ進行路と前記予備プラズマ進行路の各々の終端に開閉手段が設けられ、前記各開閉手段の一方が閉状態に保持されて前記終端反射壁が形成されるから、装置内を真空に保持したまま又は所望のガスを封入したまま、カソードターゲットを簡単に交換することができ、プラズマの生成を短時間で再開することができる。即ち、第１プラズマ進行路終端の開閉手段を閉じ、予備プラズマ進行路終端の開閉手段を開けることにより、終端反射壁を切り替えると同時に、プラズマ発生部を予備プラズマ発生部に切り替えることができ、終端反射壁フィルタにより、ドロップレットを高効率に除去することができる。また、２種類のカソードターゲットを、夫々、プラズマ発生部と予備プラズマ発生部に配置することができる。
【００３１】
本発明の第９の形態によれば、前記プラズマ発生部が第１プラズマ発生室と第２プラズマ発生室からなり、前記各プラズマ発生室が各々のプラズマ供給路を介して前記第１プラズマ進行路の始端に接続され、前記各プラズマ発生室と前記プラズマ供給路の間に供給路開閉手段が設けられるから、プラズマ進行路や発生室を真空に保持したまま、カソードターゲットを簡単に交換することができ、プラズマの生成を短時間で再開することができる。更に、前記第８の形態と同様に、２種類のカソードターゲットを、夫々、第１プラズマ発生室と第２プラズマ発生室に配置することが可能である。
【００３２】
本発明の第１０の形態によれば、前記プラズマ発生部に予備ターゲット室が付設され、前記予備ターゲット室と前プラズマ発生部の間に予備室開閉手段が設けられ、前記予備室開閉手段が開状態にあるとき、前記プラズマ発生部から前記予備ターゲット室に及び／又はその逆方向に前記カソードターゲットを搬送するターゲット搬送手段が設けられるから、装置内を真空状態に保持しながら、チャンバを開放することなく、カソードターゲットを交換することができる。即ち、ロードロックチャンバを構成することができ、大気への開放と、真空引きが繰り返されることがなく、効率的にプラズマを生成することができる。
【００３３】
本発明の第１１の形態によれば、第１〜１０の形態のいずれかのプラズマ生成装置に被処理物が配置されるプラズマ加工部が設けられ、前記プラズマ進行路を介する前記カソードターゲットの表面と前記被処理物の表面の距離（以下、「プラズマ輸送距離」と称する）が８００ｍｍ〜１３００ｍｍの範囲に設定されるから、ドロップレットの所定値以下に低減できると共に、プラズマの高い輸送効率を実現することができる。前記プラズマ輸送距離が８００ｍｍ未満の場合、ドロップレットの除去を十分に行うことができず、前記プラズマ輸送距離が１３００ｍｍを越える場合、真空アーク放電が発生する状態まで減圧する時間が増大し、装置の大型化によってメンテナンス作業等の負担も大きくなっていた。従って、前記プラズマ輸送距離が８００ｍｍ〜１３００ｍｍの範囲にある場合、好適なドロップレットの除去効率を実現できると共に、ランニングコストの低減化を図ることができる。
更に、前記プラズマ輸送距離が８００ｍｍ〜１０００ｍｍであることがより好ましく、１０００ｍｍ以下の場合、好適なドロップレットの除去効率を有すると共に、高いプラズマの輸送効率をより確実に実現することできる。また、前記プラズマ輸送距離が１０００ｍｍ以下の場合、装置の小型化を図ることができ、メンテナンス作業等をより軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、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。
【図２】図２は、図１に示した第１実施形態のプラズマ生成装置において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレーション図である。
【図３】図３は、比較例として、ドロップレット捕集部が設けられた従来のプラズマ装置において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレーション図である。
【図４】図４は、比較例として、プラズマ進行路が湾曲する従来のプラズマ装置５２において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレーション図である。
【図５】図５は、比較例として、遮蔽板の無い終端反射壁を有するプラズマ進行路４を有するプラズマ装置において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレーション図である。
【図６】図６は、本発明の第１実施形態において、内壁に対する遮蔽板の角度を変化させたときに第２プラズマ進行路の終端に到達するドロップレット数をプロットしたグラフ図である。
【図７】図７は、本発明に係るプラズマ生成装置において、遮蔽板の高さＨと間隔Ｄを変化させ、第２プラズマ進行路の終端に到達するドロップレット数をプロットしたグラフ図である。
【図８】図８は、本発明に係る遮蔽板の厚みを変化させたときのドロップレット数の変化をプロットしたグラフ図である。
【図９】図９は、本発明に係る終端反射壁を有するプラズマ進行路の曲げ角度を変化させてドロップレット数をプロットしたグラフ図である。
【図１０】図１０は、比較例１として、湾曲状のプラズマ進行路５４を有する湾曲型プラズマ生成装置に遮蔽板を設けた場合において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレーション図である。
【図１１】図１１は、比較例２、３として、他の湾曲状のプラズマ進行路を有する湾曲型プラズマ装置に遮蔽板を設けた場合において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレーション図である。
【図１２】図１２は、本発明の第１実施形態（実施例）と比較例において、第２プラズマ進行路の終端に到達するドロップレット数を比較したグラフ図である。
【図１３】図１３は、本発明の第２実施形態に係るプラズマ生成装置の構成概略図である。
【図１４】図１４は、本発明の第３実施形態に係るプラズマ生成装置の構成概略図である。
【図１５】図１５は、本発明の第４実施形態に係るプラズマ生成装置の構成概略図である。
【図１６】図１６は、本発明に係るプラズマ進行路の斜視概略図である。
【図１７】図１７は、本発明に係るプラズマ生成装置において予測されるプラズマ輸送距離（ｍｍ）と成膜レート（ｎｍ／ｓ）の関係を示すグラフ図である。
【図１８】図１８は、特許文献２に記載される従来のプラズマ加工装置の構成概略図である。
【図１９】図１９は、特許文献３に記載される従来の真空アーク蒸着装置におけるプラズマ進行路とバッフルの関係を示す概略図である。
【図２０】図２０は、従来のドロップレット捕集部を具備するプラズマ生成装置において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレーション図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
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は本発明の第１実施形態に係るプラズマ生成装置１の構成概略図である。第１実施形態のプラズマ生成装置１は、プラズマ発生部２と終端反射壁３１を有するプラズマ進行路４から構成され、更に、プラズマ進行路４には、照射部６を介して被処理物１３が配設されたプラズマ加工部８が接続されている。プラズマ発生部２には、カソードターゲット３とアノード５、５が配設され、カソードターゲット３の表面とアノード５、５の間に真空アークが発生することによりプラズマが生成されると同時に、ドロップレットが副生される。
プラズマ進行路４では、第１プラズマ進行路７と第２プラズマ進行路９が屈曲部１０で直角に接続され、第１プラズマ進行路７の終端に終端反射壁３１が設けられている。プラズマ発生部２で発生させたプラズマは、プラズマ進行路４を進行すると共に、第１コイル１４及び第２コイル１５の誘導磁場により屈曲部１０で屈曲され、さらにプラズマ加工部の方向へ進行していく。プラズマ進行路を介するカソードターゲット３の表面から被処理物１３の表面までの距離を、プラズマ輸送距離３２と称している。即ち、プラズマの輸送距離３２は、第１プラズマ進行路７の中心線と第２プラズマ進行路９の中心線を介して、カソードターゲット３の表面と被処理物１３の表面の中心を結ぶ距離である。
【００３６】
図１のカソードターゲット３から第１プラズマ進行路に沿って直進する直進ドロップレット３０は、終端反射壁３１で反射された後、第１プラズマ進行路７の方向に進行し、反射を繰り返しながら運動エネルギーを失っていくことが予測され、副生されたドロップレットの殆どは反射を繰り返した後にプラズマ進行路４などの内壁面に吸着されて除去される。終端反射壁３１で反射されたドロップレットのうち、一部は第２プラズマ進行路９に進入するが、第２プラズマ進行路で反射を繰り返し、運動エネルギーを失って遮蔽壁１２を含むプラズマ進行路４の内壁面に吸着されて除去される。即ち、終端反射壁３１を有するプラズマ進行路４を形成する進行路ダクト１１の内壁には、遮蔽板１２が設けられ、衝突するドロップレットを吸着除去することができる。
【００３７】
図１において、プラズマ進行路４を形成する進行路ダクト１１は、第１プラズマ進行路７を形成する第１ダクト７ａと第２プラズマ進行路９を形成する第２ダクト９ａからなり、接続部３４でフランジにより接続されている。前記進行路ダクト１１は、プラズマ発生部接続部４０のフランジでプラズマ発生部２と接続され、スキャン部接続部３８のフランジでスキャン部ダクト３７と接続されている。従って、接続部３４、スキャン部接続部３８及びプラズマ発生部接続部４０の各接続部では、絶縁部材（図示せず）を用いることにより、ダクト間を電気的に遮断することが可能であり、各ダクトを独立に正負いずれかの電位又は接地電位に設定することができる。
例えば、第１ダクト７ａと第２ダクト９ａが絶縁部材（図示せず）により電気的に遮断される場合、第１ダクト７ａを正電位に、第２ダクト９ａを接地電位に設定することができる。正電位の場合には、プラズマ中の＋イオンを輸送方向に押し出す効果がある。
更に、スキャン部２９を形成するスキャン部ダクト３７と照射部６を形成する照射部ダクト１８も照射部接続部３９のフランジで接続されており、同様に、絶縁部材により電気的に遮断することが可能である。例えば、各ダクトは、プラズマが誘導される被処理物１３に向かって、段階的により高い正電位から低い正電位に設定され、被処理物１３の直前にある照射部ダクト１８が接地電位に設定され、プラズマ中の＋イオンを被処理物１３の方向に押し出すことができる。
尚、負電位の場合にはプラズマ中の電子を輸送方向に押し出す効果があり、正負のいずれを選択するかはプラズマの輸送効率を低下させないよう、プラズマの状態で判断される。
【００３８】
図１６は、本発明に係るプラズマ進行路４の斜視概略図である。（１６Ａ）では、円筒状の第１プラズマ進行路７に円筒状の第２プラズマ進行路９が接続されており、第１プラズマ進行路７を形成する円筒の終端が終端反射壁３１となっている。（１６Ｂ）では、屈曲部１０を構成する第１プラズマ進行路の終端部が、第２プラズマ進行路を形成する円筒の始端部分からなり、終端反射壁３１は、円筒の側面から形成されている。終端反射面３１は第１プラズマ進行路７を直進してくるドロップレットを反対方向に反射するよう形成されていれば良く、（１６Ｂ）のように曲面から形成されていても良い。
【００３９】
更に、図１では、スキャン部２９が設けられた照射部６には、照射部第１コイル１６、１６、照射部第２コイル１９、１９及び照射部第３コイル２０が設けられ、スキャン手段としてスキャン用磁場発生器３６、３６が配設されている。スキャン用磁場発生器３６、３６の間に偏向磁場を形成し、偏向磁場の強度と方向を変化させることにより、プラズマを被処理物１３の表面に照射しながらスキャンすることができ、均質な被膜を作成することができる。また、照射部６を構成する照射部ダクト１８には、複数の照射部遮蔽板１７が設けられており、衝突するドロップレットを吸着除去することができ、プラズマに随伴して進行するドロップレットをより低減化するができる。
【００４０】
図２は、図１に示した第１実施形態のプラズマ生成装置１において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレーション図である。本発明の第１実施形態の除去効率を検証するために、プラズマ進行路４を二次元的に表現し、カソードターゲット３から副生されたドロップレットの軌跡を前記非特許文献３に記載される手法に基いて計算している。カソードターゲット３の表面に等間隔で配列された２００個の質点の各々が前記表面に対して飛散角度αで飛散したときの軌跡がドロップレットの軌跡として計算されている。飛散角度αは４５°〜１３５°の範囲に設定され、この範囲で約０．９１°毎に飛散角度αの異なるドロップレットの軌跡が配列された各質点に対して計算されており、２００００個の軌跡が計算されている。各方向へのドロップレットの初速度は３００ｍ／ｓに設定され、壁面への衝突で速さが半減し、速さが１ｍ／ｓ以下となったときに、ドロップレットは失活して壁面に吸着されるものとしている。即ち、９回の衝突でドロップレットは失活すると仮定している。以下、特に断らない限り、図２と同じ条件でドロップレットの軌跡が計算されている。
【００４１】
図２に示すように、図１のプラズマ生成装置１では、ドロップレット３０が被処理物１３に到達しておらず、シミュレーションでは、１００％の除去効率を有することが示されている。プラズマ進行路４の終端近くまでは、飛散するドロップレットの軌跡により黒く塗りつぶされているが、スキャン部１７の入口側では軌跡が殆ど消滅しており、プラズマ進行路４において殆どのドロップレットが除去されていることが分かる。即ち、第１実施形態の終端反射壁３１を有するプラズマ進行路４は、ドロップレットのフィルタとして高い除去効率を有しており、複数の遮蔽板１２が設けられ、直角に屈曲したプラズマ進行路４の終端反射壁３１に衝突させることにより、プラズマ進行路４の終端までにドロップレットを高効率で吸着除去することができる。
【００４２】
図３は、比較例として、ドロップレット捕集部５０が設けられた従来のプラズマ装置５１において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレーション図である。図３のプラズマ生成装置５１では、ドロップレット捕集部５０が設けられている以外は、図２のプラズマ生成装置とほぼ同じ構造を有し、遮蔽板１２もほぼ同じピッチで設けられている。ドロップレット捕集部５０を有するプラズマ生成装置５１では、図２に示した本発明の実施形態１とほぼ同程度の除去効率を有することが分かる。即ち、第１の実施形態１は、より簡単な構造の終端反射壁フィルタを有するとともに、ドロップレット捕集部５０を有する従来のプラズマ生成装置と同程度の除去効率を有するから、装置の製造コストを低減化できると共に、ドロップレット捕集部５０にプラズマが進入して、プラズマの輸送効率が低減することが抑制される。
【００４３】
図４は、比較例として、プラズマ進行路５４が湾曲する従来のプラズマ装置５２において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレーション図である。この従来のプラズマ装置５２には、遮蔽板が設けられておらず、主にプラズマ進行路５４の構造に依存したドロップレットの除去効率を比較するために、計算されたものである。
プラズマ進行路５４の内壁の接線とカソードターゲット３の表面に垂直な軸とがなす角は様々であり、ドロップレットが内壁に衝突する際の入射角も様々である。その為、ドロップレットが内壁で反射して被処理物１３へ向かう軌跡が存在してしまうことになる。湾曲したプラズマ進行路５４の終端に到達したドロップレットの数は、４４２５個であった。
【００４４】
図５は、比較例として、遮蔽板の無いＬ字状プラズマ進行路４を有するプラズマ装置５５において、ドロップレットの軌跡を計算したシミュレーション図である。第１プラズマ進行路７と第２プラズマ進行路９からなるプラズマ進行路４の場合は、各進行路で内壁がカソードターゲット３の表面に垂直な軸となす角は一様である。その為、反射により被処理物１３へ向かうドロップレットの入射角は、制限されることになる。シミュレーション結果も湾曲するプラズマ進行路に比べ明らかに良好な結果を示している。プラズマ進行路４の終端を通過するドロップレット数は、２９５個であった。プラズマ進行路４に遮蔽板を設けない場合、被処理物に到達するドロップレットの個数は満足できる量とかけ離れている。
即ち、単にＬ字状プラズマ進行路４を設けるだけでは十分でなく、複数の遮蔽板が設けられることとの相乗効果により、ドロップレットの除去効率が向上する。尚、以下では、特に断らない限り、ドロップレット数は、プラズマ進行路の終端を通過するドロップレットの数を示している。
【００４５】
遮蔽板は以下のような構成にすることで、十分なドロップレット除去能力を得ることが出来る。
図６は、本発明に係るプラズマ生成装置において、内壁に対する遮蔽板の角度（baffle angle）を変化させたときのドロップレット数をプロットしたグラフ図である。ダクト径が８６ｍｍ、遮蔽板の開口径が６６ｍｍ、遮蔽板の間隔を６ｍｍ、厚みを１ｍｍとしている。遮蔽板をカソードターゲット側から被処理物側へ２０°から１６０°まで５°ずつ変化させていくと、遮蔽角θが２０°〜３５°、５５°〜６５°、８０°〜１００°、１１５°〜１３０°又は１５０°〜１５５°の範囲にあるとき、ドロップレットのカウント数が減少しており、ドロップレットの除去効率が格段に向上している。
【００４６】
図７は、本発明に係るプラズマ生成装置において、遮蔽板の高さＨと間隔Ｄ（baffle pitch）を変化させ、プラズマ進行路の終端を通過するドロップレットの数をプロットしたグラフ図である。遮蔽角θを９０°、厚みを１ｍｍとし、遮蔽板の高さＨを８ｍｍ，１０ｍｍ，１２ｍｍ，１４ｍｍのそれぞれで遮蔽板の間隔Ｄを６ｍｍから１８ｍｍの間で変化させた。すべての場合で、遮蔽板の高さＨと間隔Ｄの比が１．２５になるとき、プラズマ進行路４を通過するドロップレットの数が減少する結果を得た。図７の丸で囲った箇所が、明らかにディップとなっていることがわかる。ドロップレットの除去効率は、比率Ｄ／Ｈが約１．２５のときをピークとして、−０．２５〜＋０．２５の幅を有している。より好ましくは、比率Ｄ／Ｈが１．２５のときをピークとして、−０．１〜＋０．１の幅を有し、１．１５〜１．３５の範囲に設定される
【００４７】
図８は、本発明に係る遮蔽板の厚さ（baffle thick）を変化させたときのドロップレット数の変化をプロットしたグラフ図である。ダクト径が８６ｍｍ、遮蔽板の開口径が６６ｍｍ、遮蔽板の間隔を６ｍｍ、遮蔽角θを９０°として、厚みを１ｍｍから８ｍｍに１ｍｍずつ変化させていく。その結果、厚みが増すにつれてプラズマ進行路を通過するドロップレットの量が増えていく。特に、３ｍｍを越えると急激な上昇を示し、４ｍｍを越えると被処理物に到達するドロップレット数が１００以上となる。従って、遮蔽板の厚さは、４ｍｍ以下、より好ましくは３ｍｍ以下である場合に、ドロップレットを高効率に除去することができる。
【００４８】
図９は、本発明に係るプラズマ進行路の曲げ角度（duct angle）を変化させてドロップレット数をプロットしたグラフ図である。プラズマ進行路の曲げ角度は、７０°から１００°の間が好ましい。角度は小さすぎても大きすぎても、ドロップレットが基板に到達してしまう。より好ましい角度は９０°±１０°であり、本発明に係るプラズマ進行路では、曲げ角度が９０°±１０°に設定されている。即ち、第１プラズマ進行路と第２プラズマ進行路が屈曲部で直角又は略直角に接続されている。
【００４９】
図１０は、比較例１として、湾曲状のプラズマ進行路５４を有する湾曲型プラズマ生成装置５６に遮蔽板１２を設けた場合において、プラズマ進行路の終端を通過するドロップレット数を計算したシミュレーション図である。薄いグレーが被処理物１３に到達したドロップレットの軌跡であり、濃いグレーが被処理物１３に到達しなかったドロップレットの軌跡である。図１０に示すように、湾曲状のプラズマ進行路５４を有する湾曲型プラズマ装置５６に遮蔽板１２を設けても、多くのドロップレットがプラズマ進行路５４を通過して、さらにプラズマ加工部８にまで進行している。このシミュレーションでは、プラズマ進行路の終端を通過するドロップレット数が４０５個となっている。
【００５０】
図１１は、比較例２、３として、他の湾曲状のプラズマ進行路５４を有する湾曲型プラズマ装置５６、５７に遮蔽板１２を設けた場合において、プラズマ進行路の終端を通過するドロップレット数を計算したシミュレーション図である。図１０と同様に、薄いグレーが被処理物１３に到達したドロップレットの軌跡であり、濃いグレーが被処理物１３に到達しなかったドロップレットの軌跡である。（１１Ａ）の比較例２では、１２０°で湾曲するプラズマ進行路５４が設けられ、（１１Ｂ）の比較例３では、２回湾曲するプラズマ進行路５４が設けられている。（１１Ａ）では、１８１個のドロップレットが、（１１Ｂ）では、３１個のドロップレットが到達している。即ち、比較例２、３においてもドロップレットを完全には除去できないことが分かった。
【００５１】
図１２は、本発明の第１実施形態（実施例）と比較例において、プラズマ進行路の終端を通過するドロップレット数を比較したグラフ図である。比較例としては、図１０と図１１に示した比較例１〜３と共に、図２０に示したプラズマ生成装置における計算結果を比較例Ａとして追加している。実施例は、図２に示した計算結果を示している。図１２に示すように、実施例であるＬ字状プラズマ進行路からなる終端反射壁フィルタは、ドロップレット数が０であり、ドロップレット除去効率が最も高いことを示している。更に、実施例であるプラズマ生成装置は、図２に示すように、最も簡単な構造を有することから、より高いプラズマの輸送効率を有している。
【００５２】
図１３は、本発明の第２実施形態に係るプラズマ生成装置１の構成概略図である。尚、図１と同一の機能を有する部材には、以下、特に断らない限り、同一の符号を付しており、それらの部材に関する説明は、一部省略する。図１３のプラズマ生成装置１では、図１のプラズマ生成装置に対して、予備カソードターゲット２３とアノード２５、２５が配設された予備プラズマ発生部２２が設けられている。更に、第１プラズマ進行路７の始端と終端に、開閉手段として、始端側ゲートバルブ２６と終端側ゲートバルブ２７が設けられ、同様に、予備プラズマ進行路２１の始端と終端には、始端側ゲートバルブ２４と終端側ゲートバルブ２８が設けられている。従って、少なくとも予備プラズマ進行路２１の終端側ゲートバルブ２８が閉状態にあり、第１プラズマ進行路７の始端側ゲートバルブ２６と終端側ゲートバルブ２７が開状態にあれば、プラズマ進行路４が形成され、ドロップレットを高効率に除去すると共に、プラズマの好適な輸送効率を保持することができる。即ち、終端側ゲートバルブ２７と終端側ゲートバルブ２８は、閉状態で終端反射壁として機能する。
更に、第１プラズマ進行路７の終端側ゲートバルブ２７を閉状態とし、予備プラズマ進行路２１の始端側ゲートバルブ２４と終端側ゲートバルブ２８を開状態とすれば、予備プラズマ進行路２１を含む終端反射壁を有するプラズマ進行路４が形成される。従って、予備カソードターゲット２３からプラズマを生成することができる。２種以上のプラズマを用いて、被処理物１３の表面処理を行う場合や、長時間に亘ってプラズマ処理を行う場合に、プラズマ生成装置１のチャンバが開放されないから、簡単にカソードターゲットを交換できると共に、装置内を比較的クリーンに保持することができる。更に、各ゲートバルブの開閉を調整し、プラズマの供給源をプラズマ発生部２から予備プラズマ発生部２２に速やかに切り替えることにより、連続的又は断続的にプラズマを供給して被処理物１３のプラズマ処理を行うことができる。
【００５３】
図１４は、本発明の第３実施形態に係るプラズマ生成装置１の構成概略図である。第３実施形態では、プラズマ発生部２が第１プラズマ発生室６２と第２プラズマ発生室６３から構成されている。第２プラズマ発生室６３には、第１プラズマ発生室６２と同様に、カソードターゲット３３とアノード３５、３５が設けられており、第１供給路４７と第２供給路４８から２種類のプラズマ又は多量のプラズマを同時に発生させることができる。更に、第１プラズマ発生室６２と第２プラズマ発生室６３には、夫々、第１ゲートバルブ４４と第２ゲートバルブが設けられている。従って、第１プラズマ発生室６２におけるプラズマの生成が完了すると同時に又は順次、第１ゲートバルブ４４を開状態から閉状態とし、第２ゲートバルブを閉状態から開状態とすることにより、連続的又は断続的にプラズマを供給してプラズマ処理を行うことができる。
【００５４】
図１５は、本発明の第４実施形態に係るプラズマ生成装置１の構成概略図である。図１５の（１５Ａ）及び（１５Ｂ）では、図１のプラズマ生成装置１に対して、予備カソードターゲット４３が配設された予備ターゲット室４２が付設されている。（１５Ａ）では、プラズマ発生部２のカソードターゲット側に予備ターゲット室４２が設けられ、（１５Ｂ）プラズマ発生部２のアノード側に予備ターゲット室４２が設けられている。プラズマ発生部２と予備ターゲット室４２の間には、開閉手段として、ゲートバルブ４６が設けられている。更に、図示していないが、カソードターゲット３及び／又は予備カソードターゲット４３を搬送するターゲット搬送手段が設けられている。従って、ロードロックで真空状態を保持したまま、プラズマ発生部２と予備ターゲット室４２の間でカソードターゲット３及び／又は予備カソードターゲット４３を搬送し、交換又は供給することができる。装置を開放することがないため、装置内をクリーンに保持することができる。更に、比較的に簡単且つ速やかに、カソードターゲット３を予備カソードターゲット４３に交換することが可能であることから、ほぼ連続的又は断続的にプラズマを供給して被処理物１３のプラズマ処理を行うことができる。
【００５５】
図１７は、本発明に係るプラズマ生成装置において予測されるプラズマ輸送距離（ｍｍ）と成膜レート（ｎｍ／ｓ）の関係を示すグラフ図である。グラフ中の直線は、従来のプラズマ生成装置におけるプラズマ輸送距離と成膜レートのデータから外挿して得られた直線である。ここで、成膜レート（ｎｍ／ｓ）とは、前記被処理物の表面にプラズマを照射して、成膜したときの成膜速度である。
従来のプラズマ生成装置では、プラズマ輸送距離が１３００ｍｍ以上であった。プラズマ輸送距離とは、前述のように、前記プラズマ進行路４を介するカソードターゲット３の表面と前記被処理物１３の表面の距離であり、各ダクトの中心と通りカソードターゲット３と被処理物１３の表面の中心を結んだ距離となる。
従来のプラズマ生成装置（例えば、図１０の湾曲型プラズマ生成装置）では、所定以上のプラズマ輸送距離が無いと、ドロップレットの除去が十分に行えないため、グラフのプロットから明らかなように、プラズマ輸送距離が１３００ｍｍよりも長く設定されていた。しかしながら、プラズマ輸送距離が１３００ｍｍを越える場合、成膜レートは１ｎｍ／ｓ未満となっていた。
【００５６】
本発明に係るプラズマ生成装置では、終端反射壁フィルタが設けられると共に、プラズマ輸送距離が１３００ｍｍ以下に設定されている。図１７のグラフの直線から明らかのように、プラズマ輸送距離が１３００ｍｍ以下では１ｎｍ／ｓ以上の成膜レートが実現可能であり、さらに、終端反射壁フィルタにより高いドロップレット除去効率を実現することができる。プラズマ生成装置を用いた成膜では、純度の高いプラズマでの１ｎｍ／ｓ以上の成膜レートが要求されていた。プラズマ輸送距離が１３００ｍｍのとき、グラフでは、約１．２２ｎｍ／ｓ程度の成膜レートとなることが見積もられる（図中の点線の位置）。尚、プラズマ輸送距離が８００ｍｍ未満の場合、ドロップレットの除去効率が低下し、ドロップレットの混入が無視できない程度になることがシミュレーションから明らかになっている。
更に、前記プラズマ輸送距離が８００ｍｍ〜１０００ｍｍであることがより好ましく、１０００ｍｍ以下の場合、３ｎｍ／ｓ以上の成膜レートが実現可能であることが示されている。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明によれば、高いプラズマの輸送効率を保持しながら、ドロップレットを高効率に除去することができ、比較的簡単な構造を有するプラズマ生成装置を提供することができる。プラズマの発生時に副生されるドロップレットは、プラズマを磁場により複雑な経路に沿って誘導したり、プラズマを発生させるアーク電流を小さくすることにより抑制することが、一般的な除去方法であったが、プラズマの輸送効率を低下させていた。本発明者らは、鋭意研究の結果、高いプラズマの輸送効率を保持しながら、ドロップレットを除去することができるプラズマ生成装置を完成するに到った。従って、例えば、プラズマ処理によるハードディスク表面保護膜の成膜過程において、好適な成膜速度を保持することができ、ドロップレットの除去効率が高いことから、プラズマ処理を、これまで実用化されてこなかったディスク媒体等の表面処理に利用することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１ プラズマ生成装置
２ プラズマ発生部
３ カソードターゲット
４ プラズマ進行路
５ アノード
６ 照射部
７ 第１プラズマ進行路
７ａ 第１進行路ダクト
８ プラズマ加工部
９ 第２プラズマ進行路
９ａ 第２進行路ダクト
１０ 屈曲部
１１ 進行路ダクト
１２ 遮蔽板
１３ 被処理物
１４ 第１コイル
１５ 第２コイル
１６ 照射部第１コイル
１７ 照射部遮蔽板
１８ 照射部ダクト
１９ 照射部第２コイル
２０ 照射部第３コイル
２１ 予備プラズマ進行路
２２ 予備プラズマ発生部
２３ 予備カソードターゲット
２４ 始端側ゲートバルブ
２６ 始端側ゲートバルブ
２７ 終端側ゲートバルブ
２８ 終端側ゲートバルブ
２９ スキャン部
３０ ドロップレット
３１ 終端反射壁
３３ カソードターゲット
３４ 接続部
３５ アノード
３６ スキャン用磁場発生器
３７ スキャン部ダクト
３８ スキャン部接続部
３９ 照射部接続部
４０ プラズマ発生部接続部
４２ 予備ターゲット室
４３ 予備カソードターゲット
４４ 第１ゲートバルブ
４５ 第２ゲートバルブ
４６ ゲートバルブ
４７ 第１供給路
４８ 第２供給路
５０ ドロップレット捕集部
５１ Ｔ型プラズマ生成装置
５２ 湾曲型プラズマ生成装置
５４ プラズマ進行路
５５ 終端反射壁フィルタを有するプラズマ生成装置
５６ 湾曲型プラズマ生成装置
５７ 湾曲型プラズマ生成装置
６２ 第１プラズマ発生室
６３ 第２プラズマ発生室
１０２ プラズマ発生部
１０３ カソードターゲット
１０４ プラズマ進行路
１０５ アノード
１０６ 照射部
１０７ 第１プラズマ進行路
１０８ 加工部
１０９ 第２プラズマ進行路
１１３ 被処理物
１３０ ドロップレット
１５０ 捕集部
１５９ ドロップレット除去ダクト
１７０ トリガ電極
１７１ プラズマ
２０１ ステンレスパイプ
２０２ プラズマ進行路
２０３ バッフル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードターゲットからプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマが進行するプラズマ進行路から構成され、前記カソードターゲットから副生されるドロップレットを衝突させて付着する遮蔽板が前記プラズマ進行路の内壁に複数設けられるプラズマ生成装置において、前記プラズマ進行路が第１プラズマ進行路と第２プラズマ進行路からなり、前記第１プラズマ進行路の終端にその直進方向に対向する終端反射壁が設けられ、前記終端反射壁に沿って前記第２プラズマ進行路が前記第１プラズマ進行路に対し屈曲して接続され、前記終端反射壁に前記遮蔽板を複数配設して前記ドロップレットを反射及び／又は吸着させることを特徴とするプラズマ生成装置。
【請求項２】
前記プラズマ進行路の内壁に対する前記遮蔽板の角度を遮蔽角θとし、前記遮蔽角θが２０°〜３５°、５５°〜６５°、８０°〜１００°、１１５°〜１３０°又は１５０°〜１５５°の範囲にある請求項１に記載のプラズマ生成装置。
【請求項３】
前記遮蔽板の高さＨと隣り合う前記遮蔽板の間隔Ｄの比率Ｄ／Ｈが１〜１．５の範囲にある請求項１又は２に記載のプラズマ生成装置。
【請求項４】
前記プラズマ進行路の開口面積をＳｏ、前記遮蔽板による遮蔽面積をＳｃ、前記プラズマ進行路の開口率をＳｒ＝Ｓｏ／（Ｓｏ＋Ｓｃ）としたとき、開口率Ｓｒが０．３３〜０．６の範囲にある請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
【請求項５】
前記遮蔽板の厚さが４ｍｍ以下である請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
【請求項６】
前記第１プラズマ進行路を形成する第１ダクトと前記第２プラズマ進行路を形成する第２ダクトが電気的に絶縁され、前記各ダクトが独立に正電位、負電位又は接地電位に設定される請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
【請求項７】
前記第２プラズマ進行路の終端に前記プラズマのスキャン手段を有するスキャン部が設けられる請求項１〜６のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
【請求項８】
前記屈曲部に予備プラズマ進行路が前記第２プラズマ進行路に対して屈曲して接続され、前記予備プラズマ進行路に進行するプラズマを供給する予備プラズマ発生部が設けられ、前記第１プラズマ進行路と前記予備プラズマ進行路の各々の終端に開閉手段が設けられ、前記各開閉手段の一方が閉状態に保持されて前記終端反射壁が形成される請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
【請求項９】
前記プラズマ発生部が第１プラズマ発生室と第２プラズマ発生室からなり、前記各プラズマ発生室が各々のプラズマ供給路を介して前記第１プラズマ進行路の始端に接続され、前記各プラズマ発生室と前記プラズマ供給路の間に供給路開閉手段が設けられる請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
【請求項１０】
前記プラズマ発生部に予備ターゲット室が付設され、前記予備ターゲット室と前プラズマ発生部の間に予備室開閉手段が設けられ、前記予備室開閉手段が開状態にあるとき、前記プラズマ発生部から前記予備ターゲット室に及び／又はその逆方向に前記カソードターゲットを搬送するターゲット搬送手段が設けられる請求項１〜９のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載のプラズマ生成装置に被処理物が配置されるプラズマ加工部が設けられ、前記プラズマ進行路を介する前記カソードターゲットの表面と前記被処理物の表面の距離が８００ｍｍ〜１３００ｍｍの範囲に設定されることを特徴とするプラズマ加工装置。
【請求項１】
カソードターゲットからプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマが進行するプラズマ進行路から構成され、前記カソードターゲットから副生されるドロップレットを衝突させて付着する遮蔽板が前記プラズマ進行路の内壁に複数設けられるプラズマ生成装置において、前記プラズマ進行路が第１プラズマ進行路と第２プラズマ進行路からなり、前記第１プラズマ進行路の終端にその直進方向に対向する終端反射壁が設けられ、前記終端反射壁に沿って前記第２プラズマ進行路が前記第１プラズマ進行路に対し屈曲して接続され、前記終端反射壁に前記遮蔽板を複数配設して前記ドロップレットを反射及び／又は吸着させることを特徴とするプラズマ生成装置。
【請求項２】
前記プラズマ進行路の内壁に対する前記遮蔽板の角度を遮蔽角θとし、前記遮蔽角θが２０°〜３５°、５５°〜６５°、８０°〜１００°、１１５°〜１３０°又は１５０°〜１５５°の範囲にある請求項１に記載のプラズマ生成装置。
【請求項３】
前記遮蔽板の高さＨと隣り合う前記遮蔽板の間隔Ｄの比率Ｄ／Ｈが１〜１．５の範囲にある請求項１又は２に記載のプラズマ生成装置。
【請求項４】
前記プラズマ進行路の開口面積をＳｏ、前記遮蔽板による遮蔽面積をＳｃ、前記プラズマ進行路の開口率をＳｒ＝Ｓｏ／（Ｓｏ＋Ｓｃ）としたとき、開口率Ｓｒが０．３３〜０．６の範囲にある請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
【請求項５】
前記遮蔽板の厚さが４ｍｍ以下である請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
【請求項６】
前記第１プラズマ進行路を形成する第１ダクトと前記第２プラズマ進行路を形成する第２ダクトが電気的に絶縁され、前記各ダクトが独立に正電位、負電位又は接地電位に設定される請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
【請求項７】
前記第２プラズマ進行路の終端に前記プラズマのスキャン手段を有するスキャン部が設けられる請求項１〜６のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
【請求項８】
前記屈曲部に予備プラズマ進行路が前記第２プラズマ進行路に対して屈曲して接続され、前記予備プラズマ進行路に進行するプラズマを供給する予備プラズマ発生部が設けられ、前記第１プラズマ進行路と前記予備プラズマ進行路の各々の終端に開閉手段が設けられ、前記各開閉手段の一方が閉状態に保持されて前記終端反射壁が形成される請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
【請求項９】
前記プラズマ発生部が第１プラズマ発生室と第２プラズマ発生室からなり、前記各プラズマ発生室が各々のプラズマ供給路を介して前記第１プラズマ進行路の始端に接続され、前記各プラズマ発生室と前記プラズマ供給路の間に供給路開閉手段が設けられる請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
【請求項１０】
前記プラズマ発生部に予備ターゲット室が付設され、前記予備ターゲット室と前プラズマ発生部の間に予備室開閉手段が設けられ、前記予備室開閉手段が開状態にあるとき、前記プラズマ発生部から前記予備ターゲット室に及び／又はその逆方向に前記カソードターゲットを搬送するターゲット搬送手段が設けられる請求項１〜９のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載のプラズマ生成装置に被処理物が配置されるプラズマ加工部が設けられ、前記プラズマ進行路を介する前記カソードターゲットの表面と前記被処理物の表面の距離が８００ｍｍ〜１３００ｍｍの範囲に設定されることを特徴とするプラズマ加工装置。
【図１】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２０】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２０】
【公開番号】特開２０１２−６７３５２（Ｐ２０１２−６７３５２Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１２９００（Ｐ２０１０−２１２９００）
【出願日】平成２２年９月２２日（２０１０．９．２２）
【出願人】（０００２２９８３０）株式会社フェローテック (25)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２２日（２０１０．９．２２）
【出願人】（０００２２９８３０）株式会社フェローテック (25)
【Ｆターム（参考）】
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