WO2023195058A1 - 成膜装置 - Google Patents

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anode
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浩史 滝川
隆宏 坂東
善則 税木
純平 鬼頭
侑樹 橋本
博昭 杉田
弘樹 儀間
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Toyohashi University of Technology NUC
OSG Corp
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Toyohashi University of Technology NUC
OSG Corp
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    • H05H2242/10—Cooling arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a film forming apparatus, and particularly to an apparatus that generates plasma by arc discharge in a vacuum (for example, 0.0001 to 50 Pa) and evaporates a cathode material to form a film on the surface of a workpiece.
  • a vacuum for example, 0.0001 to 50 Pa
  • a solid material can be improved by generating plasma to form a thin film on the surface of the solid material (workpiece) or by implanting ions. ing. Films formed using plasma containing metal ions and/or non-metal ions enhance the wear resistance and corrosion resistance of solid surfaces and are useful as protective films and the like.
  • a carbon film using carbon plasma has high utility value as a diamond-like carbon film (DLC film) consisting of an amorphous hybrid of a diamond structure and a graphite structure.
  • DLC film diamond-like carbon film
  • metal nitride films such as titanium nitride films and titanium aluminum nitride films, which are formed by introducing nitrogen gas into the atmosphere and evaporating metals or alloys such as titanium (Ti) and titanium aluminum (TiAl), are It is also known that it can be used in various ways, such as as a protective film for parts and parts, and as a decoration for other parts. Such methods are called vacuum arc deposition, arc ion plating, arc PVD, cathodic arc deposition, and the like. In most general vacuum arc evaporation apparatuses, the vacuum vessel itself functions as an anode, but the present invention relates to an apparatus in which the anode is placed inside the vacuum vessel, independent of the vacuum vessel.
  • Vacuum arc discharge is generated between a cathode and an anode, exists on the surface of the cathode, and is generated at the starting point of vacuum arc discharge.
  • Cathode material evaporates from a hot cathode spot, and a vacuum arc plasma is formed by the cathode evaporated material.
  • reactive gases nitrogen, oxygen, hydrogen, hydrocarbons, fluorine, silicon, etc.
  • inert gases rare gases
  • constituent particles such as electrons and cathode material evaporated particles (atoms (or molecules)) are emitted from the cathode spot, and particles ranging from submicrons to hundreds of microns (0.01 to Droplets (also called macroparticles) with a size of 1000 ⁇ m are also released as by-product particles at the same time.
  • electrons emitted from the cathode spot collide with the evaporated particles of the cathode material, thereby ionizing the particles and generating metal ions and/or non-metal ions.
  • Cathode material evaporated particles are exclusively ionized by colliding with electrons immediately after being emitted from the cathode spot (at a very close distance of several mm from the cathode surface), but cathode material evaporation particles that are not ionized (excluding those that are subsequently ionized) ), introduced gas particles (molecules or atoms), reaction particles (molecules), etc., become neutral particles (hereinafter sometimes referred to collectively as neutral particles), and are initially treated as particles that are not affected by magnetic and electric fields. It will go straight in the direction of emission.
  • droplets are bumped and ejected at the cathode section, but since they also have no electric charge, they proceed without being affected by magnetic and electric fields.
  • droplets by-product fine particles adhere to the surface of the substrate. That is, when droplets (by-product particles) adhere to the surface of a solid material, the surface becomes uneven and the uniformity of the thin film is not maintained, resulting in a low-quality or defective product.
  • some of the inventors of the present application have proposed that the flow of plasma emitted from the plasma generation section (vacuum arc plasma generated at the cathode point be transferred to the anode and/or
  • the flow of plasma toward an object (hereinafter sometimes referred to as plasma flow) is bent by a curved magnetic field, guiding the plasma flow in a direction that does not face the plasma generation part, while directing by-product particles in a direction facing the plasma generation part.
  • a plasma generator configured to separate a plasma flow and droplets (by-product particles) by guiding the plasma flow to the droplets (see Patent Document 1).
  • a substantially T-shaped branch structure was used so that the droplets (by-product particles) were allowed to advance straight and the plasma flow was bent in the lateral direction. Therefore, the branching separates the droplets (by-product particles) from the plasma flow, allowing only the plasma flow to reach the solid material.
  • droplets (by-product particulates) emitted from the plasma generation part may collide with the side wall of the plasma path along which the plasma advances, and the droplets (by-product particulates) are reflected by the collision, causing the plasma flow to Sometimes it got mixed in.
  • the droplets (by-product particles) mixed into the plasma flow in this way adhere to the surface of the solid material and impede the smoothness of the surface.
  • a restriction plate that restricts the advancement of droplets (by-product particles) inside the plasma traveling path, and an oblique movement that reflects the droplets (by-product particles) that have passed through the restriction plate.
  • a configuration having a wall see Patent Document 2.
  • the traveling direction of droplets (by-product fine particles) is restricted by a restriction plate provided near the plasma generation part, and the droplets (by-product fine particles) travel in a predetermined direction after passing through the restriction plate.
  • the droplets (by-product fine particles) are further reflected by a diagonal wall and collected by a collection section placed at a desired position.
  • the distance from the plasma generation part (cathode part) to the solid material (workpiece) needs to be 500 mm or more, which is approximately 500 mm to 1,000 mm. Generally, it was set within the range of . The reason for this is that in order to bend the plasma flow, it is necessary to arrange a plurality of magnetic field generators while ensuring a space for the plasma flow to flow, resulting in a longer flow path.
  • the flow path that also serves as a magnetic field generation coil is S-shaped (see Non-Patent Document 1), but even in this case, the actual flow path length of the plasma flow is long as a result. .
  • droplets (by-products) separated from the plasma flow are used.
  • the particles fine particles
  • the magnetic generation coil is curved to make the flow path S-shaped, the magnetic generation coil A gap is created in the curved part, and the droplets (by-product particles) can adhere to the solid material (processed object) as they progress toward the solid material (processed object) located at the opposite position through the gap. It became.
  • the present invention has been made in view of the above points, and its purpose is to reduce the adhesion of by-product fine particles to the surface of the workpiece, and to reduce the adhesion of particles released from the cathode (atmosphere introduction gas). It is an object of the present invention to provide a film forming apparatus that can reduce the adhesion of magnetic field generating parts (including those that have reacted) to the magnetic field generating part itself, and can effectively form a film by vapor deposition.
  • a first configuration of the present invention is provided with a plasma generating means for generating plasma by performing arc discharge between a cathode and an anode connected via a power source in vacuum, and a cathode material constituting the cathode.
  • the plasma generating means includes a cathode section, an anode section disposed at an appropriate distance from the cathode section, and an anode section.
  • a magnetic field generating section that is configured integrally or continuously with the anode section and generates a magnetic field by the self-current of the arc discharge itself;
  • the magnetic field generating section may be configured independently while being connected to the magnetic field generating section, or may be substituted by a part of the magnetic field generating section, and placed between the magnetic field generating section and the plasma, so that part or all of the magnetic field generating section is connected to the cathode material.
  • the invention is characterized by comprising a protection member that protects from
  • the magnetic field generating section is configured to generate a magnetic field by using the current generated by arc discharge by the anode section (the anode section or a member configured integrally or continuously with the anode section) constituting the plasma generation means. Therefore, it is possible to generate a magnetic field for inducing a plasma flow at a position extremely close to the plasma generating means.
  • a protective member is provided outside the plasma flow induced by the magnetic field generating section, and by placing this protective member between the cathode section and the magnetic field generating section, particles emitted from the cathode ( (hereinafter sometimes referred to as released substances). Protection means protecting the magnetic field generating part from adhesion of emitted substances.
  • the emitted substances include uncharged neutral particles (evaporated substances) and droplets (by-product particles).
  • Some of the neutral particles that are evaporated substances become ions by collision with electrons.
  • Charged particles such as electrons and ions are guided by the magnetic field of the magnetic field generating section and guided toward the object to be processed, but neutral particles and droplets are not affected by the magnetic field and travel straight in the direction in which they are radially released. Therefore, when the droplets are attached due to the selection of the cathode material, the magnetic field generating section can be protected by attaching the droplets to the protection member together with the neutral particles.
  • ions that cannot be fully controlled by the magnetic field also adhere, but this explanation will be omitted hereafter.
  • the magnetic field generating part can be protected by colliding the droplets with the protective member, and the neutral particles can be prevented by adhering.
  • the magnetic field generating section can be protected.
  • the magnetic field generating section will not be adversely affected by the droplets even if the degree of protection is insufficient.
  • the purpose of bouncing (reflecting) the colliding droplets by the protection member is to prevent them from advancing toward the object to be processed.
  • the reflective surface of the protection member so that the traveling direction after reflection is not directed toward the object to be processed, it is possible to reduce the amount of droplets reaching the object to be processed.
  • the droplets that advance to the object to be treated from the time they are released from the cathode may adhere to the surface of the object to be treated, but if we accept the amount of adhesion, no preventive measures can be taken.
  • the amount of droplets attached will be reduced compared to the case where no measures are taken.
  • it contributes to effective vapor deposition formation of a film.
  • the magnetic field generating section is formed in a substantially cylindrical shape around a region in which the plasma flow flows, and the protection member is formed in a substantially cylindrical shape.
  • the magnetic field generating section is disposed at at least one edge located on the cathode side or the opposite side thereof, and has a surface having an appropriate area in the radial direction of the magnetic field generating section, and introduces cooling water into the inside thereof. It is constituted by a water cooling ring member having a hollow part for cooling.
  • the magnetic field generating section is approximately cylindrical, and the plasma flow is induced to flow inside the magnetic field generating section.
  • one edge should have a ring shape (it does not have to be a complete ring, as it is partially cut off.
  • the magnetic field generating part it is possible to protect the magnetic field generating part by reflecting the droplets while adhering the droplets. Basically, by placing a protective member on the edge of the cathode side, evaporated particles (neutral particles evaporated from the cathode and subsequently ionized particles) and droplets are attached (or reflection). In addition, by providing a protective member on the opposite edge of the above, the droplets traveling toward the object to be processed are attached (or reflected), thereby reducing the amount of droplets reaching the object to be processed. I can do it.
  • the protective member functions as a part of the anode by being electrically connected to the anode, and functions as a part of the plasma generating means.
  • substantially cylindrical refers to an electromagnetic coil wired in a coil shape, but in addition to a coil shape that is formed continuously in the circumferential direction, it can also be used to electrically connect members that are not continuous in the circumferential direction. It means a concept that also includes the structure.
  • the magnetic field generating section is formed in a substantially cylindrical shape around a region in which the plasma flow flows, and the protection member It is constituted by a cylindrical member disposed between the region and the magnetic field generating section.
  • the cylindrical protection member is formed inside the magnetic field generation part formed in a substantially cylindrical shape, the magnetic field generation part is protected from the cathode material contained in the plasma flow by the protection member.
  • the Rukoto At this time, by electrically connecting the protective member to the magnetic field generating section, the cylindrical protective member substantially functions as an anode of the plasma generating means.
  • the protection member in the third configuration, has a plurality of through holes.
  • the protective member is formed so that at least an inner surface thereof is not flat.
  • the amount of droplets bouncing back toward the object to be processed is reduced by diffusely reflecting the droplets.
  • the inner surface of the protective member is processed to be intentionally undulating instead of flat, thereby changing the bounce angle (reflection angle) of the droplets and reducing the amount of droplets heading toward the object to be processed. It is.
  • the evaporated particles can be attached to the surface without rebounding, the magnetic field generating section can be protected.
  • a sixth configuration of the present invention embodies the fifth configuration, in which the inner surface of the protective member is partially bent by providing partial cuts at a plurality of locations on the protective member.
  • the above configuration is a specific example of a case where the inner surface of the protective member is not flat, and a large number of uprights are formed by making partial cuts at multiple locations and bending some of the parts.
  • the shape is such that a raised portion is provided, droplets can be prevented from rebounding in the forward direction by colliding with the portion erected by bending.
  • it is also necessary to deflect the direction of rebound when colliding with the inner circumference of the through-hole from the direction toward the object to be processed. can be set.
  • the evaporated particles since the evaporated particles are attached in any state, it contributes to protecting the magnetic field generating section. It goes without saying that the surface shape and holes of the protective member should be such that even if they are present, it is easy to remove (clean) the deposits from the protective member, and that its function will not deteriorate even after cleaning. .
  • a seventh configuration of the present invention is that in each of the configurations, the magnetic field generating section is configured of a continuous spiral conductive material, or a coil configured of a hollow conductive material continuous spirally. This is a shaped magnetic field generating section.
  • the magnetic field generating section functions as a part of the anode section of the plasma generating means, or is electrically connected to the protective member and causes a current to flow spirally to generate arc discharge. , which generates a magnetic field.
  • the magnetic field generated by this coiled magnetic field generating section can induce a plasma flow in a predetermined direction inside the coiled magnetic field generating section.
  • the coiled magnetism generating part is made of a hollow conductive material, it becomes possible to introduce cooling water into the hollow interior, and the introduction of the cooling water increases the temperature of the magnetic field generating part that functions as an anode.
  • the lift can be cooled by cooling water.
  • An eighth configuration of the present invention is that in any one of the first to sixth configurations, the magnetic field generating section is constituted by a plurality of conductive plate-like members arranged at appropriate intervals,
  • the plate-like member is provided in a substantially horseshoe shape having a cut part on a part of the ring, and one of the edges on both sides of the cut part of the plate-like member is between the other edge of the adjacent plate-like member.
  • the structure is such that the current caused by the arc discharge sequentially flows through adjacent plate members in a substantially spiral manner.
  • the magnetic field generating section has a plurality of substantially horseshoe-shaped plate members arranged in a ring shape, and sequentially electrically connects the edges of the cut portions of the substantially horseshoe-shaped plate members.
  • This allows current to flow through the plurality of plate-like members in the same circumferential direction, and a magnetic field can be generated by flowing the current in a state that approximates a spiral.
  • the surface of the plate-like member becomes an adhesion surface for evaporated particles, and serves as an adhesion surface for droplets or a reflection surface. It can be made to work.
  • the plate-like member located on the cathode part side functions as a protection member, and can protect the other plate-like member (a part of the magnetic field generating part) disposed after it.
  • all of the plate-like members do not have to have the same size, and some of the plate-like members may have small diameters. This is because when moving the plasma flow by bending the plasma flow as described above, by making the plate member near the bend smaller in diameter than the other plate members, the magnetic flux density at the bend can be increased. These can reduce the loss of ions to be transported.
  • a ninth configuration of the present invention is that in the eighth configuration, the plate member is arranged such that the center position of the substantially horseshoe shape is sequentially displaced in an angular direction with respect to the direction in which the plasma flow flows, and the magnetic field
  • the center hole of the generating part is made to meander.
  • the plasma flow meanderes in accordance with the shape of the magnetic field generating section due to the meandering of the center hole of the magnetic field generating section, but the surface of the plate-like member does not move in the direction from the cathode section toward the object to be processed. It is in an overhanging state and functions as an adhesion surface for evaporated particles, an adhesion surface for droplets, or a reflection surface. If the degree of meandering is large, one of the plate-like members will be placed on the straight line through which the evaporated particles and droplets reach the object to be processed, which will at least prevent the droplets from reaching the object to be processed. can.
  • a tenth configuration of the present invention is that in the ninth configuration, the magnetic field generating section includes a hollow annular water cooling ring member disposed at any position from the starting end side to the terminal end side of the plate member. It is something that exists. In the case of such a configuration, when the plate-like members function as an anode of the plasma generating means, the temperature rise of these plate-like members can be reduced.
  • the magnetic field generating section in each of the above inventions generates a magnetic field with a magnetic flux density within a range of 0.01 to 20 mT.
  • the magnetic flux density within an appropriate range, it is possible to appropriately guide the flowing direction of the plasma flow.
  • the magnetic field generation section for inducing the flow of plasma since the magnetic field generation section for inducing the flow of plasma generates a magnetic field using a current for generating an arc discharge generated by the plasma generation means, the distance over which the plasma is guided is limited.
  • the droplets adhere to the protective member or controlling the direction in which they bounce off the surface of the protective member within that short distance, it is possible to prevent the droplets from reaching the object to be processed. can.
  • by attaching evaporated particles (and attached droplets) to the protective member it is possible to suppress the attachment of these particles to the magnetic field generation part itself, eliminating the need for work to remove (clean) the attached particles. can be done.
  • some of the neutral particles reach the object to be processed, thereby making it possible to form a film with high efficiency.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing an outline of the entire film forming apparatus.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing details of the first embodiment.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing details of the second embodiment. Note that FIG. 3(b) is a modified example.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing another modification of the second embodiment. It is an explanatory view showing details of a magnetic field generation part in a 3rd embodiment.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing how the third embodiment is used. It is an explanatory view showing details of a fourth embodiment. These are scanning electron microscope images of experimental results and comparative experiments. It is an explanatory view showing a modification of the embodiment.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing another modification of the embodiment.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating another modification.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a film forming apparatus.
  • the outline of the film forming apparatus according to the present invention includes a plasma generating means 1, a plasma duct 2 serving as a transport route for evaporated particles whose cathode material is evaporated by the plasma generating means, and a film forming chamber 3 for forming a film. It is configured to include.
  • the plasma generating means 1 includes a cathode section 11 and an anode section 12 provided in the vicinity thereof, each of which is connected to an external arc power source 13 via an insulation introduction terminal 4 to enable arc discharge. .
  • the cathode section 11 is provided with a cathode 11A made of a film forming material, and this cathode 11A corresponds to a target (evaporation substance raw material).
  • a target evaporation substance raw material
  • the cathode 11A is configured to also serve as a target
  • a film forming material serving as a target may be individually disposed on the surface of the cathode 11A.
  • the constituent material of the cathode 11A, which also serves as a target is not particularly limited as long as it is a conductive solid, and metals, alloys, inorganic substances, inorganic compounds, and the like can be used. These can be used alone or as a mixture of two or more. For example, all typical metals and transition metals can be used as simple metals.
  • alloys or intermetallic compounds include TiAl, TiCr, TiSi, AlSi, AlCr, and NdFe.
  • Inorganic elements include C (graphite), and inorganic compounds (ceramics) include TiO 2 , ZnO, SnO 2 , ITO (Indium-Tin-Oxide), In 2 O 3 , and Cd. 2 There are oxides such as SnO 4 and CuO.
  • carbides and nitrides such as TiN, TiAlC, TiC, CrN, and TiCN. There are also mixtures of two or more of them.
  • non-metallic materials that can be mixed in the range (semiconductor-like or semi-metallic) that maintains the conductivity of the cathode 11A, such as B, C, Si, P, Ge, As, Se, Sb. , Te, Bi, Po, At, etc.
  • atmospheric gases include He, Ar, H2 , N2 , O2 , fluoride gas, hydrocarbon gas, chloride gas, sulfide gas, and mixed gases thereof, including fluorine, hydrogen, carbon, chlorine, Gases or liquid vapors containing sulfur, boron, phosphorus, etc. may also be introduced.
  • the material of the anode part 12 is not limited as long as it is conductive and can withstand temperatures of about 200°C.
  • An elemental metal, an alloy, an elemental inorganic substance, an inorganic compound, etc. can be used, and the materials exemplified for the cathode can be appropriately selected and used. These can be used alone or as a mixture of two or more.
  • stainless steel, soft iron, steel, copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, graphite, etc. can be used.
  • a trigger electrode 14 is provided near the cathode 11A to induce a vacuum arc between the cathode section 11 and anode section 12. That is, by temporarily bringing the trigger electrode 14 into contact with the surface of the cathode 11A and then pulling it away, an electric spark is generated between the cathode 11A and the trigger electrode 14. When an electric spark is generated, the electrical resistance between the cathode section 11 and the anode section 12 decreases, and a vacuum arc is generated between the two pole sections 11 and 12. Furthermore, an arc stabilizing magnetic field generator 15 is installed around the cathode section 11 . This arc stabilizing magnetic field generator 15 is for stabilizing the cathode spot of the vacuum arc and the plasma generated by arc discharge.
  • the arc stabilizing magnetic field generator 15 is installed outside the chamber in the figure, it may be installed inside the chamber or behind the cathode section. It is also possible to install multiple units. In other words, a magnetic field that stabilizes the cathode spot and arc discharge and efficiently transports the plasma flow may be applied to the cathode surface and/or the front surface of the cathode.
  • a region serving as a transport path for evaporated particles is formed inside the anode portion 12 formed into a substantially cylindrical shape.
  • a magnetic field generating section 21 using an electromagnet is provided on the outer periphery of the approximately cylindrical anode section 12, and generates an induction magnetic field that guides charged particles generated by evaporation of the film forming material in a predetermined direction. be. This induced magnetic field is directed along the central axis of the substantially cylindrical anode section 12.
  • the charged particles are guided in a region serving as a transport route in a straight line from the cathode part 11 along the central axis direction of the substantially cylindrical anode part 12, and in a straight line from the film forming chamber 3 disposed in front. Charged particles are supplied to the object to be processed A inside through the opening 31. Since this transport route is a straight line, the distance from the cathode section 11 to the object A to be processed can be shortened.
  • the film forming chamber 3 is open on the side facing the plasma generation means 1, and is equipped with a workpiece holding means 32 for holding the workpieces A, B,...,H inside.
  • a workpiece holding means 32 for holding the workpieces A, B,...,H inside.
  • droplets are simultaneously emitted from the cathode spot in addition to electrons and evaporated particles of cathode material.
  • the evaporated particles of the cathode material collide with the electrons emitted from the cathode spot, whereby the material is ionized and metal ions and/or nonmetal ions are generated.
  • the cathode material evaporated particles are ionized by colliding with electrons immediately after being emitted from the cathode spot. They become neutral particles such as non-ionized cathode material evaporated particles (excluding those that are subsequently ionized), introduced gas particles, and reaction particles, and are unaffected by magnetic and electric fields and proceed straight in the original emission direction.
  • the droplets are bumped and ejected at the cathode, but since they also have no charge, they move forward without being affected by magnetic and electric fields.
  • FIG. 2 shows the configuration of the plasma generating means 1 of this embodiment.
  • the anode side constituting the plasma generating means 1 is provided with a protective member 5 and an electromagnetic coil (magnetic field generating section) 21 electrically connected between the protective member 5.
  • the electromagnetic coil 21 is connected to the positive electrode side of the arc power source and enables arc discharge between the cathode section 11 and the protection member 5.
  • the protective member 5 is formed of a conductive material into a generally cylindrical shape, and may be made of non-magnetic stainless steel, copper, copper alloy, or the like.
  • An electromagnetic coil 21 is provided so as to be wound around the generally cylindrical protection member 5.
  • the protective member 5 and the electromagnetic coil 21 are electrically connected by a connecting portion 51 at the edge remote from the cathode portion 11 .
  • An end of the electromagnetic coil 21 located farthest from the connection portion 51 is provided so as to be connected to the positive electrode side of the arc power source.
  • the protection member 5 made of a conductive material and the electromagnetic coil 21 are provided in a non-contact state so that they are not electrically connected.
  • the cathode section 11 At this time, arc discharge occurs between the cathode section 11 and the protection member 5, and the arc plasma X is induced by the magnetic field generated by the electromagnetic coil 21 and flows along the central axis of the protection member 5. . Therefore, the anode part 12 is formed by the entire protective member 5 and the electromagnetic coil 21, but the anode that contributes to the generation of arc discharge is formed by a local part of the protective member 5. . In this embodiment, the protection member 5 functions as an anode.
  • the protective member 5 functions to protect the electromagnetic coil (magnetic field generating section) 21. That is, the protective member 5 is placed on the inner circumferential side of the electromagnetic coil 21, and since the arc plasma X flows inside the protective member 5, the protective member 5 is placed between the plasma flow and the electromagnetic coil 21. The situation is as follows. Then, the evaporated particles and droplets included in the emitted substance are also emitted, but among these, the non-ionized particles (neutral particles) and droplets are linearly unaffected by the magnetic field of the electromagnetic coil stone 21. Therefore, it is also emitted in an angular direction (in the direction of the arrow in the figure) with respect to the central axis of the electromagnetic coil 21, regardless of the plasma flow (transport route of evaporated particles).
  • the protective member 5 protects the electromagnetic coil 21 from the neutral particles and droplets released in this way. Naturally, since the electromagnetic coil 21 is located outside the protective member 5, evaporated particles other than neutral particles (particles that react with the introduced gas) and ions that have not been strongly influenced by the magnetic field are transferred to the electromagnetic coil 21. 21 can be prevented from adhering to the surface.
  • the neutral particles and droplets of the cathode emitted substances that reach the inner surface of the protective member 5 will also adhere to the inner surface of the protective member 5 in the same way as they adhere during film formation. Therefore, the emitted neutral particles and droplets except those that move along the central axis of the electromagnetic coil 21, that is, those that are emitted angularly, can be attached to the protection member 5 and removed. This can prevent adhesion to the magnetic field generating section itself. Furthermore, by attaching the droplets to the protection member 5, the amount of droplets and the like reaching the object to be processed can be reduced. Note that a method for removing droplets (droplets that do not adhere) generated during the formation of the DLC film will be described later.
  • the entire anode is constituted by the protection member 5 and the electromagnetic coil 21, that is, the local anode is made to function by the protection member 5, and at the same time, the magnetic field is generated by passing current through the electromagnetic coil 21. Since the structure is configured to cause the evaporation to occur, the distance from the cathode section 11 to the object to be treated can be greatly shortened, thereby reducing the decrease in the density of evaporated substances formed by arc discharge and improving the film formation rate. be able to.
  • both ends of the electromagnetic coil 21 (the cathode side and the opposite end) have an outer diameter and an inner diameter with an appropriate dimensional difference.
  • This is a configuration in which an annular protection member 6 and an end annular member 7 each having a predetermined wall thickness are arranged. Since the protection member 6 has the annular shape as described above, a surface having a predetermined area in the radial direction of the electromagnetic coil 21 and a surface having a predetermined area in the inner circumferential direction are formed. Furthermore, the annular interior is formed with an inner diameter that is large enough to allow the arc plasma X to pass through.
  • the protection member 6 receives evaporation particles and droplets from adhering to it through the two types of surfaces mentioned above, protects the electromagnetic coil 21, and suppresses droplets from reaching the object to be processed. Forming the surface to be large contributes to preventing evaporated particles and droplets from adhering to the electromagnetic coil 21.
  • one protective member 6 disposed on the cathode section side has its surface facing the cathode section 11 and its inner peripheral surface disposed closer to the cathode section 11 than the electromagnetic coil 21, so that the electromagnetic coil 21 is protected from the electromagnetic coil 21. Evaporated particles and droplets can be attached before reaching the electromagnetic coil 21 to prevent them from reaching the electromagnetic coil 21.
  • the end annular member 7 located on the side opposite to the cathode part receives the attachment of evaporated particles and droplets that have passed through the electromagnetic coil 21. Since this terminal annular member 7 also has a surface and an inner circumferential surface (particularly an inner circumferential surface) facing the cathode section 11, by deliberately allowing droplets to adhere at least, droplets can be emitted in that direction. This prevents the droplets from passing through and preventing them from reaching the object to be processed.
  • the protective member 6 and the terminal annular member 7 are made of a conductive material, and the connecting portion 52 between the protective member 6 and the electromagnetic coil 21 provided on the cathode side, and the cathode portion
  • the connecting portion 51 between the end annular member 7 and the electromagnetic coil 21 provided on the side opposite to the cathode portion side is both made of a conductive material.
  • the member 7 can function as an anode during arc discharge.
  • the electrons generated from the cathode 11A mainly move to the protective member 6 made of a conductive material as shown by the broken line arrow, and the electrons move to the electromagnetic coil 21 via the connection part 52.
  • the current flows through the electromagnetic coil 21 by sequentially moving along the coil, and the electromagnetic coil 21 can generate a magnetic field. Of course, some electrons reach the electromagnetic coil 21, but they flow through the electromagnetic coil 21 and finally flow from the terminal annular member 7 to the positive pole of the power source. Note that when the protective member 6 and the terminal annular member 7 are made of a non-conductive material, or when the connecting parts 51 and 52 are made of a non-conductive material, the electrons generated from the cathode 11A are transferred to the cathode of the electromagnetic coil 21.
  • the electromagnetic coil 21 is moved using the side end as the main starting point, and a current similarly flows through the electromagnetic coil 21.
  • the connection to the positive pole of the power supply (power supply connection part 16) is preferably at the farthest position from the cathode part 11 of the electromagnetic coil 21.
  • the protective member 6 and the end annular member 7 can be provided for the purpose of controlling the direction of the droplets so that they do not advance toward the object to be treated. That is, the droplets containing graphite material or the like are reflected by the protection member 6 and the terminal annular member 7, and are guided in a direction different from the direction of the object to be processed.
  • the structure may be such that the protection member 6 on the cathode side is not provided.
  • the evaporated particles will adhere, in order to prevent the evaporated particles from adhering to the electromagnetic coil 21, it is preferable to provide a protective member 6 on the cathode side.
  • the anode side can be cooled by making the annular portion interior 71 of the terminal annular member 7, which functions as an anode, hollow and introducing cooling water into this hollow interior 71 (water-cooled It becomes a ring member).
  • This cooling structure makes it possible to avoid a temperature rise on the anode side during arc discharge.
  • the protection member 6 on the cathode side functions as an anode
  • the protection member 6 may be provided with a hollow interior 61 and similarly cooled.
  • both 6 and 7 may be formed with hollow interiors 61 and 71, and both 6 and 7 may be water-cooled, regardless of whether or not they are made to function as an anode.
  • an annular protection member (partially cut and not necessarily a complete ring) is attached to one end (or both ends may be used) of the approximately cylindrical protection member 5.
  • 6 are provided in a connected state and a hollow interior 61 is formed in the annular portion thereof, thereby making it possible to cool with water.
  • the substantially cylindrical protection member 5 functions as an anode, but the state in which it is connected to the annular protection member 6 allows it to absorb heat.
  • a substantially annular terminal annular member 7 may be disposed on the opposite side to cool the anode side.
  • the electromagnetic coil 21 may be formed of a hollow member, and cooling water may be introduced into the hollow member.
  • FIG. 4 there is a configuration in which a protection member 6 and a terminal annular member 7 are integrally provided at both ends of a substantially cylindrical protection member 5.
  • integrated includes not only integral molding but also integration by physically joining.
  • the electromagnetic coil 21 can be protected by the substantially cylindrical protection member 5 and the protection member 6 installed on the cathode side.
  • the terminal annular member 7 and the electromagnetic coil 21 are joined by the joining part 51 made of a conductive material, and the protective member 6 and the electromagnetic coil 21 are joined by the joining part 52 made of a non-conductive material, the Electrons move in the same way as in the first embodiment.
  • a current electrostatic current of vacuum arc discharge
  • the area including the electromagnetic coil 21 functions as an anode.
  • the connection to the positive pole of the power supply (power supply connection part 16) is made at a location close to the cathode of the electromagnetic coil 21.
  • the connecting portion 52 of the protective member 6 is made of a conductive material and the connecting portion 51 of the opposite end ring member 7 is made of a non-conductive material, the flow of current (electronic current) is reversed.
  • the end of the electromagnetic coil 21 that is far from the cathode section 11 functions as the power supply connection section 16 .
  • the magnetic field generating section is formed in a generally spiral shape using a plate-like member instead of the electromagnetic coil 21 described above. That is, the electromagnetic coil 21 is made of a conductive material in a coil shape (spiral shape), and is formed into a substantially spiral shape by arranging a plurality of conductive plate members in parallel and sequentially connecting them through the conductive material. That is.
  • FIG. 5 shows the magnetic field generating section of this embodiment.
  • FIG. 5(a) is an exploded perspective view
  • FIG. 5(b) is an overall perspective view.
  • the individual conductive plate members 80a to 80e (the figure shows five plates, but the number is arbitrary) constituting the magnetic field generating section 8 are annular plates. It has a substantially horseshoe shape (which may also be expressed as a C-shape) with a portion cut off, and two edges 82a to 82e and 83a to 83e are formed on both sides of the cut portions 81a to 81e.
  • These plurality of plate-like members 80a to 80e all have the same shape, are arranged in parallel in sequence, and the adjacent plate-like members 80a to 80e are electrically connected to each other.
  • Stainless steel, copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, graphite, etc. can be used as the conductive plate material.
  • the positions of the cut portions 81a to 81e of the plate members 80a to 80e arranged in parallel are sequentially changed at a predetermined angle between adjacent plate members 80a to 80e.
  • the positions of the edges 82a to 82e, 83a to 83e located on both sides of the cutting parts 81a to 81e also change, and for example, the first plate member 80a and the second plate member 80b In this relationship, one end edge 82b of the second-order plate-like member 80b is in a positional relationship opposite to the other end edge 83a of the first-order plate-like member 80a.
  • the fastening member 9 includes a general bolt 91 and a nut 92, as well as a cylindrical conductive part 93 made of a conductive material, and the conductive part 93 connects two adjacent plate members 80a and 80b. By being placed between them, the two are electrically connected while forming an appropriate distance between them.
  • the magnetic field generating section 8 which has a generally cylindrical shape as a whole, as shown in FIG. 5(b).
  • a plasma flow can be caused to flow along the inside (center hole) of this approximately annular magnetic field generation section 8.
  • the current flows in the same direction in the circumferential direction of each of the plate members 80a to 80e, and passes between two types of opposing edges 82a to 82e and 83a to 83e to the next rank.
  • the flow sequentially moves to the plate-like members 80a to 80e, forming a substantially spiral shape.
  • symbol 51 in a figure is a connection part with a protection member
  • symbol 84 is a connection part for connecting to the positive electrode side of an arc power supply.
  • FIG. 6 When using the magnetic field generating section 8 having the above configuration, as shown in FIG. 6, the protective member 5 (see FIG. 6(a)) or the annular protective member 6 (see FIG. 6(b)) is used. can be protected. Note that in order to show the shape of the magnetic field generating section 8, FIG. 6 increases the number of plate-like members 80a to 80k, and does not take into account the dimensional ratio.
  • connection part 51 for connection with the protection member 5 is connected to the plate member 80k at one end, and the other plate member 80a is connected to the arc It is provided to be connected to the positive pole of the power supply.
  • the protection member 6 when using the same annular protection member 6 as in the second embodiment, the protection member 6 should be placed on the cathode side;
  • the members (terminal annular member) 7 and (intermediate annular member) 7A may also be installed at the end (opposite the cathode part) and intermediate positions of the magnetic field generating section 8, respectively.
  • the annular portion can be hollow to allow introduction of cooling water.
  • the protective member 6 protects the magnetic field generating part 8 from evaporated particles and droplets by the surface of the annular portion, but the evaporated particles and droplets that have passed through the protective member 6 are protected by the plate-like member 80a. It is easily assumed that it will adhere to up to 80k.
  • a cooling mechanism may be provided in any of 80a to 80k.
  • these plate-like members 80a-80k are integrated by the fastening member 9 (see FIG. 5). ), by releasing this fastening member 9, they can be easily separated, and it is also possible to easily remove (clean) deposits from the separated individual plate-like members 80a to 80k. For the removal operation, it can be removed mechanically, for example, using a lathe or by shot blasting. In addition, chemical removal using chemicals is also facilitated. Note that the cylindrical protective member 5 shown in FIG. 6(a) can also be removed from the magnetic field generating section 8 to easily remove (clean) the deposits. Since each component can be composed of small components, ultrasonic cleaning of the component is easy.
  • the fourth embodiment uses substantially horseshoe-shaped plate members 80a to 80k as described above, but has a configuration in which the positions of the plate members 80a to 80k are sequentially displaced in the radial direction of the center hole. be. This state is shown in FIG.
  • the individual plate members 80a to 80k all have the same substantially horseshoe shape, but are electrically connected to each other by the fastening member 9, similar to the third embodiment. is connected to. Therefore, the current can flow in a substantially spiral shape as a whole. Then, the individual plate members 80a to 80k are sequentially displaced in the radial direction.
  • the displacement state is such that the plate member 80b of the next order is raised in the radial direction from the plate member 80a of the first order.
  • the plate member 80f of the sixth rank located in the middle is set as the apex, and the plate members 80g of the seventh rank to the plate member 80k of the final rank are arranged so as to descend one after another. be.
  • the entrance and exit positions of the vapor deposition particle transport path can be set in a straight line through all the plate members 80a to 80k. The result is the same as when they are aligned.
  • the flow of the arc plasma X (plasma flow) is meandered by the generated magnetic field.
  • the neutral particles and droplets move linearly, the neutral particles and droplets emitted from the cathode 11A collide with the surfaces of the individual plate members 80a to 80k.
  • the material adheres to the surfaces of these plate-like members 80a to 80k, and in the case of a material that bounces (reflects), it bounces off the surfaces of the plate-like members 80a to 80k, retreats, and is treated. It becomes impossible to move forward in the direction of objects.
  • the plate-like member 80a in the first order is subject to collisions with the greatest number of neutral particles and droplets, and those that have passed through these will collide with the plate-like member 80b in the second order.
  • the collisions of the droplets will be concentrated on the plate members 80a to 80f located in the first half of the entire magnetic field generating section 8.
  • the center hole of the intermediate plate member 80f does not overlap with the center hole of the first plate member 80a due to individual displacement conditions, the subsequent plate members 80g to Neutral particles and droplets will not reach 80k.
  • a part of the magnetic field generating part 8 (the first half 80a to 80f) protects the other part (the second half 80g to 80k) without providing a special protection member for the magnetic field generating part 8. be able to.
  • the attached neutral particles and droplets can be collected.
  • a protective member made of a member different from the magnetic field generating section 8 is not provided, but a part of the magnetic field generating section 8 (a plate-like member disposed on the cathode side) is not provided.
  • the members 80a to 80f) function as protective members (substituted as protective members).
  • the first plate member 80a can function as an anode.
  • the magnetic field generating portion 8 can generate a magnetic field using the self-current (electronic current) of the arc discharge itself.
  • annular protective member 6 may be placed on the cathode side as shown in FIG. 7(b).
  • annular members (terminal annular member) 7 and (intermediate annular member) 7A having similar configurations are further provided at the intermediate position and the end (on the side opposite to the cathode part side), and these annular parts A configuration may also be adopted in which cooling water is introduced inside.
  • the three parts (see the illustration) that correspond to the part where the plasma flow is bent.
  • the magnetic field generating section 8 is used as a positive pole section, a part of the magnetic field generating section 8 can function as a protective member, and the plasma flow is meandered by the magnetic field generated by the magnetic field generating section 8.
  • the distance required for the meandering is small, the distance from the cathode section 11 to the object to be processed can be shortened as a result. Thereby, it is possible to reduce the decrease in the density of evaporated substances formed by arc discharge and improve the film formation rate.
  • Example> an experiment was conducted to confirm the state of film formation when using a magnetic field generating section using a horseshoe-shaped plate member as shown in FIG. 7(a).
  • the experimental conditions are as follows. Titanium (Ti) is used as the cathode material, and the horseshoe-shaped plate member used for the anode is made of 15 sheets of oxygen-free copper, with an inner diameter of 100 mm near the center and gradually increasing to 150 mm at both ends.
  • the magnetic flux density of the entire horseshoe-shaped magnetic field generating section was about 6 mT.
  • the arc current was set to 110A.
  • N2 was used as the atmospheric gas, and the introduced flow rate was 30 sccm.
  • the chamber internal pressure (film formation pressure) was set to 0.3 Pa, and the film thickness to be formed was adjusted to about 1.8 ⁇ m. Note that the distance between the cathode part and the object to be treated in the apparatus was about 350 mm.
  • FIG. 9 shows a modification of the protection member 5 in the first embodiment.
  • FIG. 9(a) is a longitudinal sectional view
  • FIG. 9(b) is a side view.
  • a plurality of protrusions 152 are provided on the inner surface 150B of the cylindrical main body 150 of the protection member 105, so that the inner surface 150B is not flat. Not being flat means that the provision of the projections 152 clearly creates unevenness when compared with the outer surface 150A.
  • This protective member 105 is used when droplets emitted from the cathode do not attach to the protective member 105 and bounce (reflect) when graphite or the like is used as a cathode material, such as when forming a DLC film. It is for use. That is, when the inner surface 150B is in a smooth state, it is assumed that the droplets that collide with the surface are reflected toward the object to be processed. However, if a plurality of protrusions 152 are formed on the inner surface 150B, there is a very high possibility that the droplet will collide with any of these protrusions 152.
  • the reflection angle of the droplet that collides with the protrusion 152 is greatly changed, making it possible to reduce the proportion of droplets directed toward the object to be processed.
  • it when colliding with the protrusion 152, it generally collides with the cathode side surface, so it is assumed that it will be reflected in the backward direction.
  • a concave portion may be formed so that the inner surface 150B has an uneven upper surface.
  • a protruding part flange part
  • this projecting portion flange portion
  • this projecting portion may have a structure in which the wall thickness of the annular portion is increased and the annular interior is made hollow to allow introduction of cooling water.
  • FIG. 10(a) Another modification is a protection member 205 having the configuration shown in FIG. 10(a).
  • the protrusion 252 provided on the inner surface 250B of the main body 250 is annular. Even in such a configuration, the direction of reflection of droplets that collide with the inner surface 250B can be changed.
  • the illustrated example has an annular shape, it may also have a spiral shape. Moreover, it may be constructed by a concave ring instead of a projecting ring.
  • the flange portion 251 is the same as that of the above-mentioned modification.
  • FIG. 10(b) there is a protection member 305 having a configuration shown in FIG. 10(b).
  • a plurality of through holes 353 are provided in the main body portion 350.
  • the through hole 353 is formed to be long along the generatrix direction of the cylindrical main body portion 350, but may have a short shape, or may have a circular or other shape.
  • a long through hole is illustrated.
  • the droplets collide and are reflected on the inner surface 350B where the through holes 353 are not provided, but by increasing the proportion of the area penetrated by this type of through holes 353, The probability of that reflection can be reduced.
  • the above-mentioned protrusion 152 or the like may be separately formed on this inner surface 350B.
  • the flange portion 351 in this modification can also be configured to be used as a connection portion with an electromagnetic coil or the like, or to allow cooling water to be introduced into the annular portion, as in the above-mentioned modification. be.
  • the magnetic field generating parts 21 and 8 for inducing the flow of plasma are caused by the arc discharge generated by the plasma generating means. Since a magnetic field is generated by an electric current, the structure from the cathode section 11 to the film forming chamber 3 can be downsized and the positional relationship can be shortened, compared to the case where these are configured individually. By adhering the droplets to the protective members 5, 6 and the terminal annular member 7 over such short distances, or by controlling the direction in which they bounce off the surfaces of the protective members 5, 105, 205, 305, at least the droplets can be It is possible to prevent the film from reaching the film forming chamber 3.
  • FIG. 11 is shown as a diagram in a longitudinal cross-sectional view.
  • the inner diameters of the annular protection member 6 and the terminal annular member 7 are made smaller than the inner diameter of the cylindrical protection member 5, and the ratio of droplets adhering to the inner surface of the cylindrical protection member 5 is It is also possible to adopt a configuration that reduces the In the case of such a configuration, it is possible to reduce the collision of droplets and the like with the cylindrical protection member 5 (FIG. 11(a)), and it is also possible to reduce droplets and the like from colliding with the cylindrical protection member 5 (FIG.
  • cylindrical protection members 5 may be provided with the protrusions 152, 252 in the above-mentioned modification.
  • the cylindrical protection member 5 when using the annular protection member 6, if the protection member 6 is not used as an anode (and the power supply connection part 16), the cylindrical protection member 5 Alternatively, it is electrically disconnected from the electromagnetic coil 21, and specifically, it is separated or insulated. Further, when the protection member 6 is made of a non-conductive material, a structure in which the cylindrical protection member and the annular protection member 6 are physically connected may be used.
  • These protective members are easy to remove from the anode part, and have a simpler structure as a whole compared to a coiled one, making it easier to remove deposits. For example, it can be removed mechanically using a lathe or shot blasting. Further, chemical removal using chemicals is also easy. Of course, if the deposit is used without removing it, the shape of the coiled structure shown in FIGS. 3 to 4 may be bent as shown in FIG. 7.
  • an anode screen may be provided between the anode and the plasma.
  • the details of the structure of the anode screen are detailed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-247630, so illustrations are omitted, but in this case, the anode screen has a structure in which a large number of small diameter holes are provided. In this manner, by providing the anode screen, most of the electrical insulating film material during film formation is deposited on the anode screen, and only the material leaking from the small diameter holes of the anode screen is deposited on the anode.
  • the electrically insulating film material is not deposited on the portions shaded by the holes other than the small diameter holes, and it is possible to avoid covering the anode with the electrically insulating film material.
  • the arc current electrocurrent of vacuum arc discharge
  • punched metal made of stainless steel can be used, but other materials may also be used.
  • Plasma generation means 2 Plasma duct 3 Film forming chamber 4 Insulation introduction terminals 5, 6, 7, 105, 205, 305 Protective member 8 Magnetic field generation section 9 Clamping member 11 Cathode section 11A Cathode 12 Anode section 13 Arc power source 14 Trigger electrode 15 Arc stabilizing magnetic field generator 16 Power supply connection part 21 Electromagnetic coils 51, 52 Connection parts 61, 71 Inside of the annular part in the protection member (hollow inside) 80a, 80b, 80c, 80d, 80e, 80f, 80g, 80k Plate member 81a, 81b, 81c, 81d, 81e Cutting portion 82a, 82b, 82c, 82d, 82e End portion of plate member 83a, 83b, 83c, 83d, 83e Another end portion 84 of the plate-like member Connection portion 91 Bolt 92 Nut 93 Conduction portion 150, 250, 350 Cylindrical main body portion 150A of the protective member Outer surface of the main body portion

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Abstract

【課題】　陰極部と被処理物との間に磁界を発生する機能を備えた陽極部を配置することで、陰極から放出される粒子の磁界発生部自体への付着を低減するとともに、陰極から放出される副生微粒子であるドロップレットの付着の少ない蒸着膜を効率的に形成し得る成膜装置を提供する。 【解決手段】　アーク放電を行ってプラズマを発生させるプラズマ発生手段により、陰極を構成する陰極材料を蒸発させて被処理物の表面に膜を蒸着形成する成膜装置である。プラズマ発生手段は、陰極部と、陰極部から適宜間隔を有して配置される陽極部と、磁界発生部と、保護部材を備える。磁界発生部は、陽極部によって構成され、または陽極部と一体的もしくは連続的に構成され、アーク放電による電流によって磁界を発生させる。保護部材は、陽極部の一部によって構成され、または陽極部に電気的に接続されつつ独立して構成され、プラズマ流が流下する領域の外側に配置されて磁界発生部の一部または全部を陰極材料の付着から保護する。

Description

成膜装置
　本発明は、成膜装置に関し、特に、真空中（例えば０．０００１～５０Ｐａ）のアーク放電によってプラズマを発生させ、陰極材料を被処理物表面に膜を蒸着形成させる装置に関するものである。
　一般に、プラズマを発生させることにより、固体材料（被処理物）の表面に薄膜を形成し、またはイオンを注入することによって、固体材料（被処理物）の表面特性を改善することなどが知られている。金属イオンおよび／または非金属イオンを含むプラズマを利用して形成された膜は、固体表面の耐摩耗性や耐食性を強化し、保護膜等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が非晶質状で混成したものからなるダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）として利用価値が高いことも知られている。また、雰囲気中に窒素ガスを導入し、チタン（Ｔｉ）やチタンアルミニウム（ＴｉＡｌ）などの金属または合金を蒸発させて形成してなる窒化チタン膜や窒化チタンアルミニウム膜などの金属窒化膜は、工具や部品の保護膜として、その他部材の装飾など種々において利用できることも知られている。このような方式は、真空アーク蒸着、アークイオンプレーティング、アークPVD、陰極アーク蒸着などと呼ばれるものである。一般的な真空アーク蒸着装置では、真空容器自体が陽極として機能するものが多いが、本発明では、陽極を真空容器とは独立させて、真空容器内に配置する形態のものに関するものである。
　ところで、金属イオンや非金属イオンを含むプラズマは、真空アーク放電によるものであるところ、真空アーク放電は、陰極と陽極の間に生起され、陰極の表面上に存在し、真空アーク放電の起点であるところの高温の陰極点から陰極材料が蒸発し、この陰極蒸発物質により真空アークプラズマが形成される。また、雰囲気ガスとして反応性ガス（窒素、酸素、水素、炭化水素、フッ素、ケイ素など）もしくは不活性ガス（希ガス）のうちのいずれか一つもしくは複数を導入した場合、これらのガスも同時にイオン化される。このようなプラズマを用いることによって、固体表面への薄膜形成やイオン注入により表面処理加工を行っていた。反応させたい物質を含む液体を気化させてプロセス容器に導入してもよいものであった。
　上記のように、プラズマを形成させる真空アーク放電では、陰極点から電子、陰極材料蒸発粒子（原子（または分子））といった構成粒子が放出されるとともに、サブミクロンから数百ミクロン（０．０１～１０００μｍ）の大きさのドロップレット（マクロパーティクルとも称される）も副生微粒子として同時に放出される。このとき、陰極点から放出される電子が陰極材料蒸発粒子に衝突することにより当該粒子がイオン化し、金属イオンおよび／または非金属イオンが生成される。陰極材料蒸発粒子は、専ら陰極点から放出された直後（陰極の表面～数ｍｍ程度の極近距離）に電子と衝突してイオン化するが、イオン化されない陰極材料蒸発粒子（その後イオン化するものを除く）、導入ガス粒子（分子または原子）、反応粒子（分子）などは中性粒子（以下、まとめて単に中性粒子と称することがある）となり、磁界および電界の影響を受けない粒子として、当初の放出方向へ直進することとなる。他方、ドロップレット（副生微粒子）は陰極部において突沸されて放出されるが、これも電荷を持たないことから磁界および電界の影響を受けずに進直する。ところが、固体材料の表面処理においては、ドロップレット（副生微粒子）が基材表面に付着することが問題であった。すなわち、固体材料の表面にドロップレット（副生微粒子）が付着すると、表面が平滑でない状態となるため薄膜の均一性が保持されず、低品質品・欠陥品とされることがあった。
　そこで、ドロップレット（副生微粒子）の付着を回避するため、本願の一部発明者において、プラズマ発生部から放出されるプラズマの流れ（陰極点で発生した真空アークプラズマが陽極および／または被処理物に向かうプラズマの流れ。以下、プラズマ流と称する場合がある）を湾曲磁界によって屈曲させ、プラズマ発生部と対向しない方向へプラズマ流を誘導する一方、副生微粒子をプラズマ発生部に対向する方向へ誘導させることにより、プラズマ流とドロップレット（副生微粒子）とを分離させる構成としたプラズマ発生装置を提案した（特許文献１参照）。
特開２００２－００８８９３号公報 特開２００５－２１６５７５号公報
Andre Anders, "Approaches to rid cathodic arc plasmas of macroand nanoparticles: a review", Surface and Coatings Technology, 120-121(1999)319-330
　前掲の特許文献１に開示される技術では、ドロップレット（副生微粒子）を直進させ、プラズマ流を横方向へ屈曲させるように略Ｔ字型の分岐構造としていた。そのため、当該分岐により、ドロップレット（副生微粒子）はプラズマ流とは分離され、プラズマ流のみを固体材料に到達させることができるものとされていた。ところが、プラズマ発生部から放出されるドロップレット（副生微粒子）は、プラズマが進行するプラズマ進行路の側壁に衝突する場合があり、ドロップレット（副生微粒子）が当該衝突により反射し、プラズマ流に混入することがあった。このようにプラズマ流に混入したドロップレット（副生微粒子）は、やはり固体材料の表面に付着し、表面の平滑性を阻害することとなっていた。
　そこで、本願の一部発明者において、プラズマ進行路の内部にドロップレット（副生微粒子）の進行を制限する制限板と、この制限板を通過したドロップレット（副生微粒子）を反射させる斜行壁とを有する構成を案出した（特許文献２参照）。この構成は、プラズマ発生部の近傍に設けられる制限板により、ドロップレット（副生微粒子）の進行方向が制限されるとともに、当該制限板を通過した予定方向に進行するドロップレット（副生微粒子）をさらに斜行壁で反射させ、所望の位置に配置する捕集部によってドロップレット（副生微粒子）を捕集するものであった。このような構成により、プラズマ流へのドロップレット（副生微粒子）の混入を回避することができるものとなった。
　ところが、上述のような湾曲磁界によってプラズマ流を屈曲させる場合には、プラズマ発生部（陰極部）から固体材料（被処理物）までの距離が５００ｍｍ以上を要することとなり、概ね５００ｍｍ～１，０００ｍｍの範囲内に設定されることが一般的であった。その理由としては、プラズマ流を屈曲させるために、プラズマ流が流れる空間を確保しつつ複数の磁界発生装置を配置せざるを得ない結果、流路長が長くなるためである。磁界発生コイルを兼用する流路をＳ字状とする構成もある（非特許文献１参照）が、この場合においても結果的にはプラズマ流の実質的な流路長が長くあるものであった。しかしながら、プラズマ発生部（陰極部）から固体材料（被処理物）までの距離が長くなると、アーク放電によって形成される蒸発物質の密度（フラックス）が低下するため、成膜速度に限界があった。そのため、成膜速度を向上させるためにはプラズマ発生部（陰極部）と固体材料（被処理物）との距離を短縮させ得る構成としなければならなかった。
　また、プラズマ流路をＳ字状として対向する固体材料（被処理物）にプラズマを到達させ、プラズマ流路長を短縮させる構成とした場合においては、プラズマ流から分離させたドロップレット（副生微粒子）は、Ｓ字状に湾曲するプラズマ流とは異なり直進させる構成とするものであるが、流路をＳ字状とするために磁性発生コイルを湾曲させているため、その磁性発生コイルの湾曲部分に隙間を生じさせ、その隙間から対向位置にある固体材料（被処理物）に向かって進行することとなり、ドロップレット（副生微粒子）が固体材料（被処理物）に付着し得るものとなっていた。また、磁界発生部によってプラズマ流の流路を形成する場合には、陰極から放出される粒子が磁界発生部自体に付着することがあり、コイル状の磁界発生部が複雑形状を呈していることから、その付着物を除去する（クリーニングする）ことが極めて煩瑣なものとなっていた。
　本発明は、上記諸点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、副生微粒子の被処理物の表面への付着を減少させ、陰極から放出される粒子（雰囲気導入ガスと反応したものも含む）の磁界発生部自体への付着を低減するとともに、効果的に膜を蒸着形成し得る成膜装置を提供することである。
　そこで、本発明の第１の構成は、真空中で電源を介して接続される陰極と陽極との間にアーク放電を行ってプラズマを発生させるプラズマ発生手段を備え、前記陰極を構成する陰極材料を蒸発させて被処理物の表面に膜を蒸着形成する成膜装置において、前記プラズマ発生手段は、陰極部と、該陰極部から適宜間隔を有して配置される陽極部と、該陽極部によって構成され、または該陽極部と一体的もしくは連続的に構成され、アーク放電自体の自己電流によって磁界を発生させる磁界発生部と、前記陽極部の一部によって構成され、もしくは該陽極部に電気的に接続されつつ独立して構成され、または前記磁界発生部の一部によって代用され、該磁界発生部とプラズマとの間の位置に配置されて該磁界発生部の一部または全部を陰極材料から保護する保護部材とを備えることを特徴とする。
　上記構成によれば、磁界発生部は、プラズマ発生手段を構成する陽極部（陽極部またはこれと一体的もしくは連続的に構成された部材）によってアーク放電による電流を利用して磁界を発生させる構成となっており、プラズマ発生手段に極めて近接した位置においてプラズマ流を誘導するための磁界を発生させることができる。この磁界発生部によって誘導されるプラズマ流の外側には保護部材が設けられ、この保護部材を陰極部と磁界発生部との間に配置することにより、磁界発生部に陰極から放出される粒子（以下、放出物質という場合がある。）から保護させることができる。保護とは、磁界発生部を放出物質の付着から防御することを意味する。また、放出物質には、電子のほかに、電荷を有しない中性粒子（蒸発物質）やドロップレット（副生微粒子）が含まれる。蒸発物質である中性粒子の一部は電子との衝突によってイオンとなる。電子とイオンの荷電粒子は磁界発生部の磁界に誘導されて被処理物の方向に誘導されるが、中性粒子やドロップレットは磁界の影響を受けず放射状に放出された方向に直進する。そのため、陰極材料の選定によりドロップレットが付着するものである場合には、中性粒子とともに当該ドロップレットを保護部材に付着させることにより、磁界発生部を保護し得る。もちろん、磁界で制御しきれなかったイオンも付着するが、この説明は以後省く。また、ドロップレットが付着しない（付着し難い状態を含む。以下同じ。）場合には、ドロップレットを保護部材に衝突させて磁界発生部を保護することができ、中性粒子は付着させることにより磁界発生部を保護することができる。ただし、ドロップレットが付着しない（付着し難い）ことから、保護の程度が不十分であっても磁界発生部はドロップレットによる悪影響を受けることはない。保護部材によって衝突したドロップレットを跳ね返す（反射させる）ことは、専ら被処理物への進行を阻害させることを意図するものである。すなわち、保護部材の反射面を調整することによる反射後の進行方向を被処理物へ向かわないようにすることによって、被処理物へのドロップレットの到達量を低減させることができる。ここで、陰極から放出された当初より被処理物へ進行するドロップレットについては被処理物の表面に付着することとなり得るが、この付着量については甘受することとすれば、何らの予防手段も講じない場合に比してドロップレットの付着量が低減されることとなる。また、保有するエネルギーが高いイオンだけでなく、中性粒子も被処理物の表面に到達させることで効果的な膜の蒸着形成に資するものとなる。
　本発明の第２の構成は、上記１の構成において、前記磁界発生部が、プラズマ流が流動する領域の周辺に略筒状に形成されており、前記保護部材が、略筒状に形成される前記磁界発生部のうち、陰極部側またはその反対側に位置する少なくとも一方の端縁に配置され、該磁界発生部の径方向に適宜面積の表面を有しつつ内部に冷却水を導入するための中空部を有する水冷用リング部材によって構成するものである。
　上記のような構成によれば、磁界発生部を略筒状とし、その内部をプラズマ流が流動するように誘導させるものとしたうえで、その磁界発生部の陰極部側またはその反対側の双方または一方の端縁にリング状（一部切れており、完全な輪状でなくてもよい。また、プラズマ流の進行方向に対し、略直交する方向に適切な幅を有する平面を持つのがよい。もちろん、曲面でも構わない。以下、この説明を省く。）の保護部材を配置することにより、この保護部材に蒸発粒子およびドロップレットを付着等させ、または蒸発粒子（導入ガスとの反応物を含む蒸着物となるものを意味する。以下この説明を略す。）を付着させつつドロップレットを反射させて磁界発生部を保護することができる。基本的には保護部材を陰極部側の端縁に配置することにより、磁界発生部に到達する前に蒸発粒子（陰極から蒸発した中性粒子およびその後イオン化した粒子）およびドロップレットを付着（または反射）させることができる。また、上記の逆側の端縁に保護部材を設けることにより、被処理物へ向かって進行するドロップレットを付着（または反射）させることで、被処理物に対するドロップレットの到達量を低減させることができる。このとき、保護部材は陽極に電気的に接続されることにより、陽極の一部として機能し、プラズマ発生手段の一部として機能する。そこで、中空内部に冷却水を導入させるとこにより、陽極の温度上昇を低減させることができる。なお、略筒状とは、コイル状に配線する電磁コイルを想定したものであるが、周方向に連続して形成されるコイル状のほか、周方向に連続しない部材を電気的に接続してなる構成をも含む概念を意味する。
　本発明の第３の構成は、前記第１の構成において、前記磁界発生部が、プラズマ流が流動する領域の周辺に略筒状に形成されており、前記保護部材が、プラズマ流が流動する領域と前記磁界発生部との間に配置される筒状の部材によって構成するものである。
　上記構成の場合には、略筒状に形成される磁界発生部の内側に筒状に保護部材が形成されていることから、磁界発生部は保護部材によってプラズマ流に含まれる陰極材料から保護されることとなる。このとき、保護部材が磁界発生部と電気的に接続されることにより、筒状の保護部材が実質的にプラズマ発生手段の陽極として機能する。
　本発明の第４の構成は、前記第３の構成において、前記保護部材が、複数の貫通孔を有するものとしている。
　上記構成の場合には、保護部材に付着しないドロップレットが発生する場合に、保護部材による跳ね返り（反射）を防ぎ、ドロップレットを貫通孔から通過させることができる。プラズマ流の流動領域の外方へ放出させることにより、少なくとも被処理物に対するドロップレットの到達を低減させることとなる。なお、貫通されていない領域は、蒸発粒子（中性粒子およびイオンならびに導入ガスとの反応粒子を含む）の付着を受けることとなるため、磁界発生部への付着量を低減することを可能としている。
　また、本発明の第５の構成は、前記第３の構成において、前記保護部材が、少なくとも内側表面が平坦でない状態に形成してなるものとしている。
　このような構成の場合には、前記のように、ドロップレットを貫通孔から通過させることに代えて、乱反射させることにより被処理物の方向へ跳ね返る量を低減させるものとしている。すなわち、保護部材の内側表面を平坦ではなく意図的に起伏させるなどの加工を施すことにより、ドロップレットの跳ね返り角度（反射角度）を変化させ、被処理物へ向かうドロップレットの量を低減させるものである。他方、蒸発粒子は、跳ね返ることなく表面に付着させることができることから、磁界発生部を保護することができる。
　本発明の第６の構成は、前記第５の構成を具体化するものであって、前記保護部材の内側表面が、該保護部材の複数箇所において部分的に切り込みを設けて一部を折曲させて立設してなる多数の立設部、適宜箇所を穿孔してなる多数の貫通孔、適宜間隔を凹状に形成してなる複数の凹状部、適宜間隔を凸状に形成してなる多数の突起部、または略筒状の周方向に連続的に突出させた複数の環状突起部の中から選択される形状とするものである。
　上記構成は、保護部材の内側表面を平坦でない構成とする場合の具体例を示すものであり、複数箇所において部分的に切り込みを設けて一部を折曲させて立設してなる多数の立設部を設ける形状とするときは、折り曲げにより立設された部分にドロップレットが衝突することにより前進方向への跳ね返りを抑制し得る。また、適宜箇所を穿孔してなる多数の貫通孔を形成する場合は、貫通孔を通過させることのほか、貫通孔の内周部分に衝突するときの跳ね返り方向を被処理物に向かう方向から逸らせることができる。適宜間隔を凹状に形成してなる複数の凹状部を形成する場合、または適宜間隔を凸状に形成してなる多数の突起部を形成する場合には、これらの凹状部または突起部にドロップレットを衝突させて跳ね返り方向を変化させて、被処理物へ向かうドロップレットの量を低減させるものである。なお、これらの凹状部や突起部は規則的に設ける場合のほか、不規則に設けてもよく、突起部を形成する場合には、略筒状の周方向に連続的に突出させた複数の環状突起部としてもよい。なお、蒸発粒子は、いずれの状態においても付着されることとなるから、磁界発生部を保護することに資するものとなる。なお、保護部材の表面形状や穴については、それらがあっても保護部材からの付着物の除去（クリーニング）が容易であり、クリーニング後もその機能が低下しない範囲の構造であることは言うまでもない。
　本発明の第７の構成は、前記各構成において、前記磁界発生部が、導電性材料を螺旋状に連続して構成され、または中空の導電性材料を螺旋状に連続して構成されたコイル状磁界発生部とするものである。
　上記構成によれば、磁界発生部は、プラズマ発生手段における陽極部の一部として機能しつつ、または保護部材に電気的に接続されてアーク放電を発生させるための電流を螺旋状に流すことによって、磁界を発生させるものとなる。このコイル状磁界発生部による磁界により、その内側においてプラズマ流を所定方向に誘導させることができる。
　また、コイル状磁性発生部が中空の導電性材料によって構成される場合には、当該中空内部に冷却水を導入することが可能となり、冷却水の導入により、陽極として機能する磁界発生部の温度上昇を冷却水によって冷却することができる。
　本発明の第８の構成は、前記第１～第６のいずれかの構成において、前記磁界発生部が、適宜間隔で配置された複数の導電性の板状部材によって構成されるものであり、該板状部材は、円環の一部に切断部を有する略馬蹄形に設けられ、板状部材の切断部両側の端縁のうち一方が、隣接する板状部材の他方の端縁との間で導通され、アーク放電による電流が順次隣接する板状部材を略螺旋状に流れるように構成されるものである。
　上記構成によれば、磁界発生部は、複数の略馬蹄形の板状部材がリング状に配置された状態となり、略馬蹄形に形成される板状部材の切断部端縁を順次電気的に接続することにより複数の板状部材を同じ周方向へ電流を流すことができ、電流を螺旋に近似した状態で流すことで磁界を生じさせることができる。このとき、個々の板状部材は、内側に形成されるプラズマ流に対しリング状に配置されることから、板状部材の表面が蒸発粒子の付着面となり、ドロップレットの付着面または反射面として機能させることができる。すなわち、陰極部側に位置する板状部材が保護部材として機能し、その後に配置される他の板状部材（磁界発生部の一部）を保護することができる。なお、上記板状部材は、全てが同じ大きさでなくてもよく、部分的に小径とすることができる。これは、上述のようにプラズマ流を屈曲して移動させる場合、屈曲近傍の板状部材を他の板状部材よりも小径とすることにより、当該屈曲部の磁束密度を高くすることができ、これらにより輸送するイオンの損失を低減させることができる。また、保護部材を設けることにより、この板状部材に対する蒸発粒子の付着およびドロップレットの付着または衝突は抑制されることとなるが、保護部材をすり抜けて進行する蒸発粒子およびドロップレットを板状部材において付着（または反射）させることにより、少なくともドロップレットが被処理物に到達することを低減させることができる。
　本発明の第９の構成は、前記第８の構成において、前記板状部材が、略馬蹄形の中心位置をプラズマ流が流動する方向に対して有角方向に順次変位させて配置し、前記磁界発生部の中心孔を蛇行させるものである。
　このような構成の場合、磁界発生部の中心孔の蛇行により、プラズマ流は磁界発生部の形状に応じて蛇行するが、板状部材の表面は陰極部から被処理物に向かう方向に対して張り出した状態となり、蒸発粒子の付着面およびドロップレットの付着面または反射面として機能することとなる。この蛇行の程度が大きければ、蒸発粒子およびドロップレットが被処理物に到達する直線上にいずれかの板状部材を配置させることとなり、少なくともドロップレットの被処理物への到達を阻害させることができる。
　本発明の第１０の構成は、前記第９の構成において、前記磁界発生部が、前記板状部材の始端側から終端側までの任意の位置に中空円環状の水冷用リング部材が配置されているものである。このような構成の場合、板状部材がプラズマ発生手段の陽極として機能する場合、これらの板状部材の温度上昇を低減させることができる。
　なお、上記各発明における前記磁界発生部は、０．０１～２０ｍＴの範囲内における磁束密度による磁界を発生させるものであることが好ましい。磁束密度を適正な範囲内とすることにより、プラズマ流の流動する方向を適正に誘導させることができるものである。
　本発明によれば、プラズマの流れを誘導するための磁界発生部は、プラズマ発生手段によって発生するアーク放電を発生させるための電流によって磁界を発生させるものであるから、プラズマが誘導されて流れる距離を短くすることができ、その短い距離において、ドロップレットを保護部材に付着させ、または保護部材の表面で跳ね返る方向を制御させることで、被処理物にドロップレットが到達することを抑制することができる。また、蒸発粒子（および付着するドロップレット）を保護部材に付着させることにより、磁界発生部自体にこれらが付着することを抑制し、その付着物を除去する（クリーニングする）作業の必要性を解消させることができる。さらに、高エネルギーのイオンに加え、中性粒子の一部は被処理物に到達することによって、もって効率の良い成膜形成が可能となる。
成膜装置全体の概略を示す説明図である。 第１の実施形態の詳細を示す説明図である。 第２の実施形態の詳細を示す説明図である。なお、図３（ｂ）は変形例である。 第２の実施形態の他の変形例を示す説明図である。 第３の実施形態における磁界発生部の詳細を示す説明図である。 第３の実施形態の使用態様を示す説明図である。 第４の実施形態の詳細を示す説明図である。 実験結果および比較実験の走査型電子顕微鏡の画像である。 実施形態の変形例を示す説明図である。 実施形態の他の変形例を示す説明図である。 その他の変形を例示する説明図である。
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。まず、成膜装置の全体構造について概略説明したうえ、詳細について説明する。
　図１は、成膜装置の概略を示す図である。本発明に係る成膜装置の概略は、プラズマ発生手段１と、このプラズマ発生手段によって陰極材料が蒸発した蒸発粒子の輸送経路となるプラズマダクト２と、成膜を行うための成膜室３とを備える構成となっている。プラズマ発生手段１は、陰極部１１と、その近傍に設けられる陽極部１２とを含む構成となっており、それぞれ絶縁導入端子４を介して外部のアーク電源１３に接続されアーク放電を可能としている。
　陰極部１１には、成膜形成材料によって構成される陰極１１Ａが設けられ、この陰極１１Ａがターゲット（蒸発物質原料）に相当する。陰極１１Ａがターゲットを兼ねる構成としているが、陰極１１Ａの表面にターゲットとなる成膜形成材料を個別に配設してもよい。ターゲットを兼ねる陰極１１Ａの構成材料としては、導電性を有する固体であれば特に限定されるものではなく、金属単体、合金、無機単体、無機化合物などを用いることができる。これらは単独で使用できるほか二種類以上の混合物としてもよい。例えば、金属単体としては、典型金属および遷移金属のすべてが利用可能である。中でも、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｈｆ、Ｐｔ、Ａｕ，Ｈｇ、Ｐｂ、Ｎｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ等がある。合金または金属間化合物としては、ＴｉＡｌ、ＴｉＣｒ、ＴｉＳｉ、ＡｌＳｉ、ＡｌＣｒ、ＮｄＦｅなどがある。また、無機単体としてはＣ（黒鉛）などがあり、無機化合物（セラミックス）としては、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＳｎＯ２、ＩＴＯ（Indium-Tin-Oxide：スズ混入酸化インジウム）、Ｉｎ２Ｏ３、Ｃｄ２ＳｎＯ４、ＣｕＯなどの酸化物がある。さらに、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＣ、ＴｉＣ、ＣｒＮ、ＴｉＣＮなどの炭化物・窒化物などを挙げることができる。それらの二種以上の混合物もある。また、陰極１１Ａの導電性が保たれる範囲（半導体的または半金属的）に混合し得る材料として、非金属材料があり、例えば、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｐｏ、Ａｔなどが挙げられる。また、雰囲気ガスとしては、Ｈｅ、Ａｒ、Ｈ２、Ｎ２、Ｏ２や、フッ化ガス、炭化水素ガス、塩化ガス、硫化ガスおよびこれらの混合ガスがあり、フッ素、水素、炭素、塩素、硫黄、ホウ素、リンなどを含むガスや液体蒸気を導入してもよい。
　陽極部１２は、２００℃程度の温度に耐えられる導電性のものであればよく、材質が限定されるものではない。金属単体、合金、無機単体、無機化合物などを用いることができ、陰極について例示した材料を適宜選択して使用することができる。これらは単独で使用できるほか二種類以上の混合物としてもよい。例えば、ステンレス、軟鉄、鋼鉄、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、黒鉛などを使用することができる。
　上記の陰極１１Ａの近傍にはトリガ電極１４が設けられており、陰極部１１と陽極部１２との間に真空アークを誘起させるものとしている。すなわち、トリガ電極１４を一時的に陰極１１Ａの表面に接触させ、その後引き離すことにより、陰極１１Ａとトリガ電極１４との間で電気スパークを発生させるのである。電気スパークが発生すると、陰極部１１と陽極部１２との間の電気抵抗が減少し、両極部１１，１２の間に真空アークが発生するのである。また、陰極部１１の周辺には、アーク安定化磁界発生器１５が設置されている。このアーク安定化磁界発生器１５は、真空アークの陰極点、およびアーク放電により発生したプラズマを安定化させるためのものである。なお、アーク安定化磁界発生器１５は、図においてチャンバの外部に設置しているが、チャンバの内部に設けてもよく、また陰極部の後方に設置してもよい。複数設置することも可能である。つまりは，陰極点およびアーク放電が安定化し、プラズマ流が効率的に輸送される磁界が、陰極表面、あるいは／および陰極前面に印加されればよい。
　蒸発粒子の輸送経路となる領域は、略円筒状に形成してなる陽極部１２の内側に形成される。詳細は後述するが、略円筒状の陽極部１２の外周には電磁石による磁界発生部２１が設けられ、成膜形成材料の蒸発により発生した荷電粒子を所定方向に導く誘導磁界を生じさせるものである。この誘導磁界は、略円筒状の陽極部１２の中心軸に沿った方向となるものである。
　輸送経路となる領域における荷電粒子の誘導は、略円筒状の陽極部１２の中心軸方向に沿って、陰極部１１から直線的な方向となっており、正面に配置される成膜室３の開口部３１を介して内部の被処理物Ａに対して荷電粒子を供給するものである。この輸送経路が直線上であるため、陰極部１１から被処理物Ａまでの距離を短くすることができる。
　成膜室３は、プラズマ発生手段１に対向する側が開口されており、内部には被処理物Ａ，Ｂ,・・・,Ｈを保持する被処理物保持手段３２が備えられており、この被処理物保持手段３１が断続的に回転することにより、複数の被処理物Ａ～Ｈを順次プラズマ発生手段１に対向させ、成膜加工に供することができるものとなっている。
　プラズマ流を形成させる真空アーク放電では、陰極点から電子および陰極材料蒸発粒子のほかに、ドロップレットも同時に放出される。このとき、陰極点から放出される電子に陰極材料蒸発粒子が衝突することにより当該物質がイオン化し、金属イオンおよび／または非金属イオンが生成される。陰極材料蒸発粒子は、専ら陰極点から放出された直後に電子と衝突してイオン化する。イオン化されない陰極材料蒸発粒子（その後イオン化するものを除く）、導入ガス粒子、反応粒子などの中性粒子となり、磁界および電界の影響を受けず、当初の放出方向へ直進することとなる。他方、ドロップレットは陰極において突沸されて放出されるが、これも電荷を持たないことから磁界および電界の影響を受けずに進直する。
＜第１の実施形態＞
　ここで、本発明の第１の本実施形態について説明する。図２に本実施形態のプラズマ発生手段１の構成を示す。この図に示されるように、プラズマ発生手段１を構成する陽極側には、保護部材５と、この保護部材５との間で電気的に接続される電磁コイル（磁界発生部）２１とを備える構成としたものである。電磁コイル２１は、アーク電源の正極側に接続され、陰極部１１と保護部材５との間でアーク放電を可能とするものである。
　保護部材５は、導電材料によって概略円筒状に形成されたものであり、非磁性のステンレスや銅または銅合金などを使用することができる。この概略円筒状とした保護部材５の周辺に巻き付けるように電磁コイル２１を設けている。保護部材５と電磁コイル２１は、陰極部１１から離れた側の端縁において接続部５１によって電気的に接続されている。電磁コイル２１のうち、接続部５１から最も離れた位置の端部においてアーク電源の正極側に接続されるように設けられている。なお、導電材料で構成される保護部材５と電磁コイル２１とが導通しないように、両者間は非接触の状態で設けられている。
　上記のような構成により、アーク放電が生じると、陰極１１Ａから発生した電子（図において破線矢印で示す。以下同じ。）は、破線矢印に示すように、導電材料によって構成された保護部材５に移動し、この電子が接続部５１を介して電磁コイル２１に移動し、当該コイルに沿って順次移動して最終的には、電源接続部１６を経由してアーク電源の正極側に移動する。その結果として、電磁コイルに電流が流れることとなり、電磁コイル２１によって磁界を生じさせることができる。
　このとき、アーク放電は、陰極部１１と保護部材５との間で発生し、アークプラズマＸは、電磁コイル２１によって発生する磁界に誘導され、保護部材５の中心軸に沿って流れることとなる。従って、陽極部１２は、保護部材５および電磁コイル２１の全体により形成されているが、アーク放電の発生に寄与する陽極は保護部材５の局部的な一部によって形成される状態となっている。本実施形態にあっては、保護部材５が陽極として機能するものとなる。
　また、保護部材５は、電磁コイル（磁界発生部）２１を保護するために機能させるものである。すなわち、保護部材５は電磁コイル２１の内周側に配置されており、アークプラズマＸは、保護部材５の内側を流動するため、プラズマ流と電磁コイル２１との間に保護部材５が配置された状態となっている。そして、放出物質に含まれる蒸発粒子およびドロップレットも放出されるが、これらのうちイオン化しなかった粒子（中性粒子）およびドロップレットは、電磁コイル石２１による磁界の影響を受けることなく直線的に放出されることから、プラズマ流（蒸発粒子の輸送経路）に関係なく、電磁コイル２１の中心軸に対して有角方向（図中矢印方向）へも放出されることとなる。保護部材５は、このように放出される中性粒子およびドロップレットから電磁コイル２１を保護するのである。当然のことながら、電磁コイル２１は保護部材５の外側に位置しているため、中性粒子以外の蒸発粒子（導入ガスとの反応粒子）や磁界の影響を強く受けなかったイオンなどが電磁コイル２１に付着することを防ぐことができる。
　保護部材５の内側表面に到達する陰極放出物のうちの中性粒子およびドロップレットは、成膜時に付着するのと同様に、保護部材５の内側表面にも付着することとなる。従って、放出された中性粒子およびドロップレットが電磁コイル２１の中心軸に沿って移動するものを除き、すなわち有角的に放出されるものは保護部材５に付着させて除去することができる。これにより、磁界発生部自体への付着を防ぐことができる。また、ドロップレットが保護部材５に付着されることにより、被処理物に対するドロップレット等の到達量を低減させることができるのである。なお、ＤＬＣ膜の成膜時に生じるドロップレット（付着しないドロップレット）の除去方法については後述する。
　上記構成のように、陽極の全体が保護部材５および電磁コイル２１によって構成されるもの、すなわち、局所的な陽極を保護部材５によって機能させつつ、同時に電磁コイル２１に電流を流すことにより磁界を生じさせる構成としたことから、陰極部１１から被処理物までの距離を大きく短縮することができ、これによって、アーク放電によって形成される蒸発物質の密度低下を低減し、成膜速度を向上させることができる。
＜第２の実施形態＞
　本発明の第２の実施形態は、図３（ａ）に示すように、電磁コイル２１の両端（陰極部側およびその反対側の端部）には、外径と内径とが適宜な寸法差を有しつつ所定の肉厚を有してなる円環状の保護部材６および末端円環部材７を配置した構成である。保護部材６は、上記のような円環状としていることから、電磁コイル２１の径方向に所定の面積を有する表面と、内径側周方向に所定面積の表面が形成されるものである。しかも環状内部はアークプラズマＸを通過させることができる程度の内径によって形成されている。保護部材６は、上記二種類の表面によって、蒸発粒子およびドロップレットの付着を受け、電磁コイル２１を保護するとともに、被処理物に対するドロップレットの到達を抑制するためのものであることから、その表面を大きく形成することにより蒸発粒子およびドロップレットが電磁コイル２１に付着することの防止に寄与することとなる。　
　すなわち、陰極部側に配置する一方の保護部材６は、陰極部１１に対向させた表面および内周面が、電磁コイル２１よりも陰極部１１の側に配置されることで、電磁コイル２１に到達する前の段階で蒸発粒子およびドロップレットを付着させ、電磁コイル２１への到達を抑制させることができる。
　他方、陰極部側とは反対側に位置する末端円環部材７は、電磁コイル２１を通過した蒸発粒子およびドロップレットの付着を受けるものとなる。この末端円環部材７は、やはり、陰極部１１に対向させた表面および内周面（特に内周面）を有することから、少なくともドロップレットの付着を敢えて許容することにより、当該方向に放出されるドロップレットの通過を阻止し、被処理物への到達を抑制するものとなる。
　このような構成の場合には、保護部材６および末端円環部材７を導電材料によって設けるものとし、陰極部側に設けられる保護部材６と電磁コイル２１との間の接続部５２、および陰極部側とは反対側に設けられる末端円環部材７と電磁コイル２１との間の接続部５１が、いずれも導電材料によって構成されることにより、陰極部側とは反対側に位置した末端円環部材７をアーク放電時に陽極として機能させることができる。この場合、陰極１１Ａから発生した電子は、主に，破線矢印に示すように、導電材料によって構成された保護部材６に移動し、この電子が接続部５２を介して電磁コイル２１に移動し、当該コイルに沿って順次移動して、電磁コイル２１に電流が流れることとなり、この電磁コイル２１によって磁界を生じさせることができる。もちろん，電磁コイル２１に到達する電子もあるが，電磁コイル２１を流れて最終的には末端円環部材７から電源の正極に流れる。なお、保護部材６および末端円環部材７を非導電材料によって構成するか、または接続部５１，５２を非導電材料によって構成する場合には、陰極１１Ａから発生した電子は、電磁コイル２１の陰極部側端部を主な起点として当該電磁コイル２１を移動し、同様に当該電磁コイル２１に電流が流れることとなる。この場合、電源の正極への接続（電源接続部１６）は、電磁コイル２１の陰極部１１から最も遠い位置とするのがよい。
　ところで、上記構成にあっては、保護部材６と末端円環部材７の中間を通過する蒸発粒子（導入ガスの反応性粒子も含む）およびドロップレットが存在し得る（図中Ｙの矢印参照）。この種の蒸発粒子およびドロップレットについては、電磁コイル２１の一部に付着することが考えられる。これを防止するためには陰極部側に位置する保護部材６の内径を小さく構成することが考えられる。
　さらに、陰極材料として黒鉛などを使用する場合（ＤＬＣ膜を成膜する場合）には、保護部材６、末端円環部材７および電磁コイル２１にドロップレットが付着せず、衝突後に跳ね返る（反射する）ような挙動となることから、被処理物に向かってドロップレットが進行しないように、その方向を制御する目的で保護部材６および末端円環部材７を設けるものとすることができる。すなわち、黒鉛材料等を含むドロップレットを保護部材６および末端円環部材７で反射させ、被処理物の方向とは異なる方向へ誘導させるのである。その際、保護部材６に衝突せず、すり抜けたドロップレットについては、電磁コイル２１の表面で反射させ、または電磁コイル２１の隙間も通過させ、結果的に被処理物の方向以外に向けて誘導させることができるのである。この場合には、陰極部側の保護部材６を設けない構成としてもよいものである。ただし、蒸発粒子は付着することとなるため、この蒸発粒子を電磁コイル２１に付着することを防ぐためには、陰極部側の保護部材６を設けることが好ましい。
　なお、本実施形態においては、陽極として機能する末端円環部材７の環状部分内部７１を中空とし、この中空内部７１に冷却水を導入することにより、陽極側を冷却することができる（水冷用リング部材とする）ものとなる。この冷却構造により、アーク放電時によって陽極側の温度上昇を回避させることができるのである。陰極部側の保護部材６を陽極として機能させる場合には、当該保護部材６に中空内部６１を設けて、同様に冷却させるものとしてもよい。もちろん陽極として機能させるさせないことにかかわらず、双方６，７ともに中空内部６１，７１を形成させ、双方６，７において水冷可能な構成としてもよい。
＜変形例＞
　上記第２の実施形態においては、次のような変形例が考えられる。図３（ｂ）に示すように、略円筒状の保護部材５の一端（両端でも良い）に円環状（部分的に切れていて、完完全な輪になってなくてもよい）の保護部材６を接続した状態で設け、その環状部分に中空内部６１を構成することにより水冷可能とすることができる。この場合においても、略円筒状の保護部材５が陽極として機能するが、円環状保護部材６と接続した状態により熱を吸収させることができるものとなる。
　当然のことながら、反対側においても略円環状の末端円環部材７（図３（ａ）参照）を配置して、陽極側を冷却させるように構成してもよい。さらに、電磁コイル２１の温度上昇を抑制する場合には、当該電磁コイル２１を中空部材で構成し、その内部に冷却水を導入させる構成としてもよい。
　また、他の変形例としては、図４に示すように、略円筒状の保護部材５に対し、その両端に保護部材６および末端円環部材７を一体的に設けるように構成したものがある。一体的とは、一体成型したもののほか、物理的に接合するなどにより一体化させることを含む意味である。このように一体的に構成する場合には、略円筒状の保護部材５と、陰極部側に設置する保護部材６によって電磁コイル２１を保護することができる。そして、末端円環部材７と電磁コイル２１とを導電材料による接合部５１によって接合し、保護部材６と電磁コイル２１とを非導電材料による接合部５２によって接合するときは、陰極１１Ａから発生した電子は、第１の実勢形態と同様に移動する。すなわち、末端円環部材７から電磁コイル２１に移動し、さらに電磁コイル２１に沿って移動することで電流（真空アーク放電の電子電流）を流すことできる。この場合は、電磁コイル２１を含む範囲が陽極として機能する。この時、電源の正極への接続（電源接続部１６）は、電磁コイル２１の陰極に近い箇所にする。また逆に、保護部材６の接続部５２を導電材料とし、反対側の末端円環部材７の接続部５１を非導電材料とする場合には、電流（電子電流）の流れが逆向きとなり、電磁コイル２１の陰極部１１から遠い末端側が電源接続部１６として機能することとなる。
　本実施形態によれば、陽極側においてアーク放電に資する構成としつつ、当該アーク放電による陽極（特に保護部材６）の温度上昇を低減させることができ、アークプラズマの効率的な発生に寄与させるものとなる。
＜第３の実施形態＞
　本発明に係る第３の実施形態は、磁界発生部について、前記の電磁コイル２１に代えて、板状部材による略螺旋状を形成するものである。すなわち、電磁コイル２１は、導電材料をコイル状（螺旋状）としてなるものであるが、複数の導電性の板状部材を平行に配置し、順次導電材料を介して接続することにより略螺旋状とするものである。
　詳細について説明する。図５は、本実施形態の磁界発生部を示している。なお、図５（ａ）は分解斜視図であり、（ｂ）は全体を示す斜視図である。これらの図に示しているように、磁界発生部８を構成する個々の導電性の板状部材８０ａ～８０ｅ（図は５枚を表示しているが枚数は任意である）は、円環状の一部が切断された略馬蹄形（Ｃ字状と表現してもよい）としており、切断部８１ａ～８１ｅの両側に二つの端縁８２ａ～８２ｅ，８３ａ～８３ｅを形成したものである。これら複数の板状部材８０ａ～８０ｅは全て同じ形状としており、順次平行な状態で配置し、隣接する相互の板状部材８０ａ～８０ｅを導通させるものである。導電性の板材には、ステンレス、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、黒鉛などが利用できる。
　ここで、平行に配置される板状部材８０ａ～８０ｅは、隣接する相互の間において、その切断部８１ａ～８１ｅの位置を所定の角度で順次変化させるものである。この角度調整により、切断部８１ａ～８１ｅの両側に位置する端縁８２ａ～８２ｅ，８３ａ～８３ｅの位置も変化し、例えば、第１順位の板状部材８０ａと第２順位の板状部材８０ｂとの関係において、第２順位の板状部材８０ｂの一方の端縁８２ｂが、第１順位の板状部材８０ａの他方の端縁８３ａと対向する位置関係となる。この対向する異なる側の端縁８３ａ，８２ｂを締着部材９によって結合させることにより隣接する両者８０ａ，８０ｂを電気的に接続することができる。なお、締着部材９は、一般的なボルト９１とナット９２に加えて、導電材料による円筒状の導通部９３によって構成されており、導通部９３が隣接する二枚の板状部材８０ａ，８０ｂの間に配置されることにより、両者間に適宜な間隔を形成しつつ両者を電気的に接続するものである。
　このように、全ての板状部材８０ａ～８０ｅを締着部材９によって結合させることにより、図５（ｂ）に示すように、全体として略円筒状の磁界発生部８を構成することができる。この略円環状の磁界発生部８の内側（中心孔）に沿ってプラズマ流を流動させることができる。このとき、電流の流れる状態は、各板状部材８０ａ～８０ｅの周方向に同じ方向となり、かつ対向状態で隣接する二種類の端縁８２ａ～８２ｅ，８３ａ～８３ｅの間を経由して次順位の板状部材８０ａ～８０ｅへ順次移ることとなり、略螺旋状となるものである。このような略螺旋状に電流を流すことにより、電磁コイルと同様の磁界を発生させることができ、磁界発生部８の中心軸に沿った方向へプラズマ流を誘導することができるのである。なお、図中の符号５１は保護部材との接続部であり、符号８４は、アーク電源の正極側に接続するための接続部である。
　上記構成の磁界発生部８を使用する場合には、図６に示すように、前記の保護部材５（図６（ａ）参照）または円環状保護部材６（図６（ｂ）参照）を使用して保護することができる。なお、図６は、磁界発生部８の形状を示すため、板状部材８０ａ～８０ｋの数を増加させており、寸法比率を考慮していないものとしてる。
　図６（ａ）のように、保護部材５を使用する場合には、保護部材５との接続のための接続部５１を一端の板状部材８０ｋに接続し、他方の板状部材８０ａはアーク電源の正極に接続するように設けられる。
　また、図６（ｂ）に示すように、第２の実施形態と同様の円環状保護部材６を使用する場合には、当該保護部材６は陰極部側に配置すべきであるが、同様の部材（末端円環部材）７，（中間円環部材）７Ａを、それぞれ磁界発生部８の末端（陰極部とは反対側）および中間の位置にも設置する構成としてよい。この種の円環状部材６，７，７Ａを設置する場合には、その環状部分内部を中空として冷却水を導入可能にすることができる。なお、この場合における保護部材６による蒸発粒子およびドロップレットからの磁界発生部８の保護は、環状部分の表面によるものとなるが、保護部材６をすり抜けた蒸発粒子およびドロップレットが板状部材８０ａ～８０ｋにも付着することが容易に想定される。８０a～８０kのいずれにも冷却機構を設けてもよい。
　ところが、これらの板状部材８０ａ～８０ｋに蒸発粒子およびドロップレットが付着した場合においても、これらの板状部材８０ａ～８０ｋは、締着部材９によって一体化されているものであるから（図５参照）、この締着部材９を解除することにより容易に分離させることができ、分離した個々の板状部材８０ａ～８０ｋから付着物を除去（クリーニング）する作業も容易に行うことができる。除去作業には、例えば、旋盤を使用し、またはショットブラストなどによって、機械的に除去できる。また、薬品を使用する化学的除去も容易となる。なお、図６（ａ）に示す筒状の保護部材５についても、磁界発生部８から取り外せば、付着物の除去（クリーニング）を容易に行うことができる。各々の部品が小型部品で構成できるため、当該部品の超音波洗浄も容易である。
＜第４の実施形態＞
　第４の実施形態は、上述のような略馬蹄形の板状部材８０ａ～８０ｋを使用しつつ、当該板状部材８０ａ～８０ｋの位置を中心孔の径方向に順次変位させた構成とするものである。この状態を図７に示す。
　図７（ａ）に示しているように、個々の板状部材８０ａ～８０ｋは、全て同じ略馬蹄形としつつ、第３の実施形態と同様に、締着部材９によって隣接する相互間が電気的に接続された状態である。従って、全体として略螺旋状に電流を流すことができるものとなっている。そのうえで、個々の板状部材８０ａ～８０ｋを径方向に順次変位させるのである。
　変位の状態としては、例えば、図示のように、１１枚の板状部材８０ａ～８０ｋを使用する場合、第１順位の板状部材８０ａから、次順位の板状部材８０ｂを径方向に上昇させるものとし、これを順次繰り返し、中間に位置する第６順位の板状部材８０ｆを頂点とし、第７順位の板状部材８０ｇから最終順位の板状部材８０ｋまでを順次下降させるように配置するのである。このように個々の板状部材８０ａ～８０ｋの高さを変化させることにより磁界発生部８の中心孔は蛇行し、結果として蒸着粒子の輸送経路が蛇行した状態とみなすことができる。なお、この場合、第１順位の板状部材８０ａと最終順位の板状部材８０ｋの高さを一致させることにより、蒸着粒子の輸送経路の入出位置は、全ての板状部材８０ａ～８０ｋを直線的に整列させた場合と同様となる。
　このように、略螺旋状に電流が流れる磁界発生部８の中心孔を蛇行させることにより、生じる磁界によってアークプラズマＸの流れ（プラズマ流）は蛇行する。これに対し、中性粒子およびドロップレットは、直線的に移動するため、陰極１１Ａから放出される中性粒子およびドロップレットは、個々の板状部材８０ａ～８０ｋの表面に衝突することとなる。ドロップレットが付着する材料の場合にはこれらの板状部材８０ａ～８０ｋの表面に付着し、跳ね返る（反射する）材料の場合には当該板状部材８０ａ～８０ｋの表面で跳ね返り後退し、被処理物の方向へ前進できないものとなる。
　また、第１順位の板状部材８０ａは、最も多くの中性粒子およびドロップレットの衝突を受けることとなり、これをすり抜けたものは、第２順位の板状部材８０ｂに衝突することとなるから、磁界発生部８の全体のうちの前半に位置する板状部材８０ａ～８０ｆにドロップレットの衝突が集中することとなる。特に、個々の変位の状態により、中間位置の板状部材８０ｆの中心孔が、第１順位の板状部材８０ａの中心孔と重ならない状態となる場合には、それ以降の板状部材８０ｇ～８０ｋには中性粒子およびドロップレットが到達しないこととなる。従って、本実施形態では、磁界発生部８とは格別な保護部材を設けることなく、磁界発生部８の一部（前半部分８０ａ～８０ｆ）によって他の部分（後半部分８０ｇ～８０ｋ）を保護することができる。これにより、前半部分の板状部材８０ａ～８０ｆを定期的に交換することにより、付着した中性粒子およびドロップレットを回収することができることとなる。
　上記のような図７（ａ）に示す構成の場合には、磁界発生部８と異なる部材による保護部材を設けていないが、磁界発生部８の一部（陰極部側に配置される板状部材８０ａ～８０ｆ）が保護部材として機能する（保護部材として代用される）ものである。なお、この形態においては、第１順位の板状部材８０ａが陽極として機能させることができる。この場合、アーク電源との接続部８４を最終順位の板状部材８０ｋに設けることにより、磁界発生部８がアーク放電自体の自己電流（電子電流）によって磁界を発生し得る。
　また、陽極を冷却するために、図７（ｂ）に示すように、円環状保護部材６を陰極部側に配置してもよい。この場合には、さらに中間位置および末端（陰極部側と反対側）にも同様の構成の円環状の部材（末端円環部材）７，（中間円環部材）７Ａを設け、これらの環状部分内部に冷却水を導入する構成としてもよい。特に、プラズマ流が屈折する部分において温度上昇が著しいため、当該部分となる３箇所（図示参照）に設けることが好ましい。
　本実施形態によれば、磁界発生部８を正極部としつつ、その一部によって保護部材として機能させることができるものであり、また、磁界発生部８による磁界によってプラズマ流は蛇行することとなるが、その蛇行に要する距離は僅かなものであるから、結果的に、陰極部１１から被処理物までの距離を短縮することができる。これにより、アーク放電によって形成される蒸発物質の密度低下を低減し、成膜速度を向上させることができる。
＜実験例＞
　ここで、図７（ａ）に示すような馬蹄形の板状部材を使用した磁界発生部を使用する場合における成膜状態を確認する実験を行った。実験条件は、次のとおりである。陰極材料としてチタン（Ｔｉ）を使用し、陽極に使用する馬蹄形の板状部材は、無酸素銅による１５枚を用いて、内径は、中央部付近を１００ｍｍとし、徐々に両端を１５０ｍｍとするように１００ｍｍ～１５０ｍｍの範囲で配置する構成とし、当該馬蹄形による磁界発生部全体の磁束密度が約６ｍＴとなるものであった。また、アーク電流を１１０Ａとした。雰囲気ガスにはＮ２を使用し、導入流量を３０ｓｃｃｍとした。チャンバ内圧力（成膜圧力）を０．３Ｐａとし、成膜する膜厚を約１．８μｍに調整した。なお、装置における陰極部と被処理物との間の距離は約３５０ｍｍであった。
　上記の条件で成膜したＴｉＮ膜表面を走査型電子顕微鏡で観察した。その結果を図８（ａ）に示す。また、比較のために、磁界を発生させない円筒型の陽極を使用し、同じ膜厚に成膜した場合の膜表面についても走査型電子顕微鏡で観察し、その結果を図８（ｂ）に示す。この両図（走査型電子顕微鏡の画像）の比較より明らかなとおり、同じ膜厚で成膜された膜表面のドロップレットの付着の状態は格段に差があることが判明した。
＜変形例＞
　次に、上述の実施形態における変形例について説明する。図９は、第１の実施形態における保護部材５の変形例である。なお、図９（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）は側面図である。この図に示すように、この変形例は、保護部材１０５の円筒状本体部１５０の内側表面１５０Ｂに複数の突起部１５２を設けて、当該内側表面１５０Ｂを平坦でない状態としたものである。平坦でないとは、外側表面１５０Ａとの比較において、明らかに突起部１５２を設けたことにより凹凸を生じさせた状態を意味するものである。
　この保護部材１０５は、ＤＬＣ膜を形成する場合のように、黒鉛等を陰極材料として用いる際に、陰極から放出されるドロップレットが、保護部材１０５に付着せず、跳ね返る（反射する）場合に使用するためのものである。すなわち、内側表面１５０Ｂが平滑な状態である場合、表面に衝突したドロップレットは反射しつつ被処理物の方向へ向かうことが想定される。ところが、この内側表面１５０Ｂに突起部１５２が複数形成される場合、ドロップレットは、これら突起部１５２のいずれかに衝突する可能性が非常に高くなる。その結果、突起部１５２に衝突したドロップレットの反射角は大きく変更されるため、被処理物へ向かう比率を減少させることができるものとなるのである。特に、突起部１５２に衝突する際には、陰極側の表面に衝突することが一般的となるため、後退方向へ反射することが想定されるものとなる。
　なお、このような突起部１５２に代えて、凹状部を形成することにより内側表面１５０Ｂを平坦でない上程としてもよい。また、保護部材１０５には、本体部１５０の一端に張り出し部（フランジ部）を形成することにより、本体部１５０の外側周辺に配置される磁界発生部（電磁コイル等）との接続部１５１として使用することができる。さらに、この張り出し部（フランジ部）は環状部分の肉厚を大きくし、その環状内部を中空にして冷却水の導入を許容する構成としてもよい。
　他の変形例としては、図１０（ａ）に示す構成の保護部材２０５がある。この変形例では、本体部２５０の内側表面２５０Ｂに設ける突起部２５２を環状とするものである。このような構成においても、内側表面２５０Ｂに衝突するドロップレットの反射方向を変更されることができる。図示の例示は、円環状であるが、これを螺旋状としてもよい。また、突状の円環ではなく凹状の円環によって構成してもよい。フランジ部２５１については前述の変形例と同様である。
　さらに、その他の変形例として図１０（ｂ）に示す構成の保護部材３０５がある。この変形例では、本体部３５０に、複数の貫通孔３５３を設ける構成である。この貫通孔３５３は、筒状本体部３５０の母線方向に沿って長尺に形成されたものであるが、短尺な形状としてもよく、円形その他の形状としてもよい。ここでは、長尺な貫通孔として例示する。この種の貫通孔３５３を形成する場合、保護部材本体３５０の内側表面３５０Ｂに衝突するドロップレットは、衝突することなく通過することとなり、その結果として内側表面３５０Ｂで反射することがないため、被処理物の方向へ移動することを回避させることができる。
　当然のことながら、貫通孔３５３が設けられていない内側表面３５０Ｂにおいて、ドロップレットが衝突し、反射することも想定されるが、この種の貫通孔３５３による貫通領域の割合を大きくすることにより、その反射の確率を低下させることができる。また、この内側表面３５０Ｂには前述のような突起部１５２などを別途形成してもよい。
　なお、この変形例におけるフランジ部３５１についても、前述の変形例と同様に、電磁コイル等との接続部として使用し、または環状部分内部に冷却水を導入し得る構成とすることができるものである。
＜まとめ＞
　以上のとおり、上記のような実施形態および変形例に示すように、これらの形態によれば、プラズマの流れを誘導するための磁界発生部２１，８は、プラズマ発生手段により発生するアーク放電による電流によって磁界を発生させるものであるから、これらを個別に構成する場合に比較して、陰極部１１から成膜室３までの構成を小型化でき、位置関係を短くすることもできる。このように短い距離において、ドロップレットを保護部材５，６および末端円環部材７に付着させ、または保護部材５，１０５，２０５，３０５の表面で跳ね返る方向を制御させることで、少なくともドロップレットを成膜室３に到達することを抑制することができる。
　なお、本発明の実施形態および変形例は上記のとおりであるが、これらの実施形態および変形例は本発明の一例であって、本発明がこれらに限定されるという趣旨ではない。従って、上記の実施形態および変形例における要素を変形し、他の要素を追加することができる。
　例えば、筒状の保護部材５と、円環状の保護部材６末端円環部材７とを使用する場合には、図１１に示すように変形してもよい。なお、図１１は縦断面視における図として示したものである。この図に示すように、円環状の保護部材６および末端円環部材７の内径を、筒状保護部材５の内径よりも小径とし、筒状保護部材５の内側表面にドロップレットが付着する比率を低減させる構成としてもよい。このような構成の場合には、筒状保護部材５にドロップレット等が衝突することを低減させることができ（図１１（ａ））、また、筒状保護部材５を通過して被処理物の方向へ向かうドロップレット等をさらに排除させることもできる（図１１（ａ）、（ｂ））。そして、これらの筒状保護部材５の内側表面については、前述の変形例における突起部１５２，２５２を設ける構成としてもよい。なお、図１１（ａ）に示すように、円環状の保護部材６を使用する場合において、当該保護部材６を陽極（および電源接続部１６）として機能させない場合には、筒状の保護部材５または電磁コイル２１との間を電気的に非接続とするものであり、具体的には離間させるか、絶縁させるようにすることとなる。また、保護部材６が非導電材料によって構成される場合は、筒状の保護部材と円環状の保護部材６とを物理的に接続させた構成としてもよい。
　これらの保護部材は、陽極部からの取り外しが容易であり、コイル状と比べれば全体として単純構造のため、蒸着物の除去が容易である。例えば、旋盤やショットブラストなどで機械的に除去できる。また、薬品による化学的除去も容易である。もちろん，蒸着物を除去しないで利用する場合には，図３から図４のコイル状構造が構成する形状が，図７のように屈曲していても構わない。
　さらに、電気絶縁膜を成膜する場合にあっては、陽極とプラズマとの間にアノードスクリーンを設ける構成としてもよい。アノードスクリーンに関する構成の詳細は、特開平５－２４７６３０号公報に詳しいので、図は省略するが、この場合、アノードスクリーンは、多数の小径孔を設ける構成とするものである。このように、アノードスクリーンを設けることにより、成膜時の電気絶縁膜材料の大部分がアノードスクリーンに堆積し、陽極にはアノードスクリーンの小径孔から漏れ出したもののみが堆積することとなる。このとき、小径孔以外によって陰になる部分には電気絶縁膜材料が堆積せず、陽極が電気絶縁膜材料によって覆われることを回避できる。なお、アノードスクリーンを設ける場合であっても、アーク電流（真空アーク放電の電子電流）は小径孔を通過して陽極に流れることができることから、アーク電流の通路を安定して確保することができる。この種のアノードスクリーンとしては、ステンレスによるパンチングメタルを使用することができるが、それ以外のものでもよい。導電性材料を使用する場合において、電気絶縁膜材料が堆積するまで陽極の一部として機能させる場合は、既述した上記構成の陽極と電気的に接続させておくこととなる。
１　プラズマ発生手段
２　プラズマダクト
３　成膜室
４　絶縁導入端子
５，６，７，１０５，２０５，３０５　保護部材
８　磁界発生部
９　締着部材
１１　陰極部
１１Ａ　陰極
１２　陽極部
１３　アーク電源
１４　トリガ電極
１５　アーク安定化磁界発生器
１６　電源接続部
２１　電磁コイル
５１，５２　接続部６１，７１　保護部材における環状部分の内部（中空内部）
８０ａ，８０ｂ，８０ｃ，８０ｄ，８０ｅ，８０ｆ，８０ｇ，８０ｋ　板状部材
８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄ，８１ｅ　切断部
８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄ，８２ｅ　板状部材の端部
８３ａ，８３ｂ，８３ｃ，８３ｄ，８３ｅ　板状部材のもう一つの端部
８４　接続部
９１　ボルト
９２　ナット
９３　導通部
１５０，２５０，３５０　保護部材における円筒状の本体部
１５０Ａ　保護部材における本体部の外側表面
１５０Ｂ，２５０Ｂ，３５０Ｂ　保護部材における本体部の内側表面
１５１，２５１，３５１　フランジ部（接続部）
１５２　突起部
２５２　突起部（環状）
３５３　貫通孔
Ｘ　アークプラズマ

Claims (11)

  1. 　真空中で電源を介して接続される陰極と陽極との間にアーク放電を行ってプラズマを発生させるプラズマ発生手段を備え、前記陰極を構成する陰極材料を蒸発させて被処理物の表面に膜を蒸着形成する成膜装置において、
    　前記プラズマ発生手段は、
    　陰極部と、
    　該陰極部から適宜間隔を有して配置される陽極部と、
    　該陽極部によって構成され、または該陽極部と一体的もしくは連続的に構成され、アーク放電自体の自己電流によって磁界を発生させる磁界発生部と、
    　前記陽極部の一部によって構成され、もしくは該陽極部に電気的に接続されつつ独立して構成され、または前記磁界発生部の一部によって代用され、該磁界発生部とプラズマとの間の位置に配置されて該磁界発生部の一部または全部を陰極材料から保護する保護部材と
    を備えることを特徴とする成膜装置。
  2. 　前記磁界発生部は、プラズマ流が流動する領域の周辺に略筒状に形成されており、
    　前記保護部材は、略筒状に形成される前記磁界発生部のうち、陰極部側またはその反対側に位置する少なくとも一方の端縁に配置され、該磁界発生部の径方向に適宜面積の表面を有しつつ内部に冷却水を導入するための中空部を有する水冷用リング部材によって構成されるものである請求項１に記載の成膜装置。
  3. 　前記磁界発生部は、プラズマ流が流動する領域の周辺に略筒状に形成されており、
    　前記保護部材は、プラズマ流が流動する領域と前記磁界発生部との間に配置される筒状の部材によって構成されるものである請求項１に記載の成膜装置。
  4. 　前記保護部材は、複数の貫通孔を有するものである請求項３に記載の成膜装置。
  5. 　前記保護部材は、少なくとも内側表面が平坦でない状態に形成してなるものである請求項３に記載の成膜装置。
  6. 　前記保護部材の内側表面は、該保護部材の複数箇所において部分的に切り込みを設けて一部を折曲させて立設してなる多数の立設部、適宜箇所を穿孔してなる多数の貫通孔、適宜間隔を凹状に形成してなる複数の凹状部、適宜間隔を凸状に形成してなる多数の突起部、または略筒状の周方向に連続的に突出させた複数の環状突起部の中から選択される形状としている請求項５に記載の成膜装置。
  7. 　前記磁界発生部は、導電性材料を螺旋状に連続して構成され、または中空の導電性材料を螺旋状に連続して構成されたコイル状磁界発生部である請求項１～６のいずれかに記載の成膜装置。
  8. 　前記磁界発生部は、適宜間隔で配置された複数の導電性の板状部材によって構成されるものであり、該板状部材は、円環の一部に切断部を有する略馬蹄形に設けられ、板状部材の切断部両側の端縁のうち一方が、隣接する板状部材の他方の端縁との間で導通され、アーク放電による電流が順次隣接する板状部材を略螺旋状に流れるように構成されている請求項１～６のいずれかに記載の成膜装置。
  9. 　前記板状部材は、略馬蹄形の中心位置をプラズマ流が流動する方向に対して有角方向に順次変位させて配置し、前記磁界発生部の中心孔を蛇行させるものである請求項８に記載の成膜装置。
  10. 　前記磁界発生部は、前記板状部材の始端側から終端側までの任意の位置に中空円環状の水冷用リング部材が配置されている請求項９に記載の成膜装置。
  11. 　前記磁界発生部は、０．０１～２０ｍＴの範囲内における磁束密度による磁界を発生させるものである請求項１～１０のいずれかに記載の成膜装置。
     
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