(57)【要約】【課題】表面処理を行う際に発生するマクロパーティクルをより厳密かつ定量的に評価して、マクロパーティクルが基材表面へ及ぼす影響を管理することにより、表面粗度が優れた薄膜を得ることができるマクロパーティクルの計測技術を提供する。【解決手段】基材の成膜領域に対応した所定の実空間領域を通過する前記マクロパーティクルの各々からの光信号を光検知手段を用いて検知し、各マクロパーティクルにおいて検知された光信号を画像処理することによって各マクロパーティクルの基材方向への速度成分を計測し、計測された各マクロパーティクルの速度成分と実空間領域の体積とに基づいて、単位時間に、基材表面に平行な単位断面を通過する各マクロパーティクルの数を求め、さらに、各マクロパーティクル毎に求められたマクロパーティクルの数の総和を算出することにより、マクロパーティクルの発生状況を計測するマクロパーティクルの計測方法。【選択図】図１
2014163834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面処理装置を用いて基材の表面処理を行う際に発生するマクロパーティクルの発生状況を計測するマクロパーティクルの計測方法であって、
基材の成膜領域に対応した所定の実空間領域を通過する前記マクロパーティクルの各々からの光信号を光検知手段を用いて検知し、
各マクロパーティクルにおいて検知された前記光信号を画像処理することによって各マクロパーティクルの基材方向への速度成分を計測し、
計測された各マクロパーティクルの速度成分と前記実空間領域の体積とに基づいて、単位時間に、基材表面に平行な単位断面を通過する各マクロパーティクルの数を求め、
さらに、各マクロパーティクル毎に求められたマクロパーティクルの数の総和を算出することにより、
前記マクロパーティクルの発生状況を計測することを特徴とするマクロパーティクルの計測方法。
【請求項２】
表面処理装置を用いて基材の表面処理を行う際に発生するマクロパーティクルの発生状況を計測するマクロパーティクルの計測方法であって、
基材の成膜領域に対応した所定の実空間領域を通過する前記マクロパーティクルの各々からの光信号を光検知手段を用いて検知し、
各マクロパーティクルにおいて検知された前記光信号を画像処理することによって各マクロパーティクルの直径および基材方向への速度成分を計測し、
計測された各マクロパーティクルの直径および速度成分と、前記実空間領域の体積とに基づいて、単位時間に、基材表面に平行な単位断面を通過する各マクロパーティクルの数と、前記直径との積を求め、
さらに、各マクロパーティクル毎に求められたマクロパーティクルの数と直径との積の総和を算出することにより、
前記マクロパーティクルの発生状況を計測することを特徴とするマクロパーティクルの計測方法。
【請求項３】
前記マクロパーティクルの基材方向への速度成分として、前記基材の表面に対して直交する速度成分を用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマクロパーティクルの計測方法。
【請求項４】
前記光検知手段として、撮像素子を具備したカメラを用いることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法。
【請求項５】
放電によって陰極材料を蒸発させることにより成膜を行う真空アーク蒸着装置を用いて基材の表面処理を行う際に発生する前記マクロパーティクルの発生状況を計測することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法を用いてマクロパーティクルの発生状況を計測し、
計測の結果に基づいて、表面処理装置の運転状況を制御、管理する
ことを特徴とする基材の表面処理方法。
【請求項７】
表面処理装置を用いて基材の表面処理を行う際に発生するマクロパーティクルの発生状況を計測するマクロパーティクルの計測装置であって、
基材の成膜領域に対応した所定の実空間領域を通過する前記マクロパーティクルの各々からの光信号を検知する光検知手段と、
各マクロパーティクルにおいて検知された前記光信号を画像処理することによって各マクロパーティクルの速度成分を計測する画像処理手段と、
計測された各マクロパーティクルの速度成分と前記実空間領域の体積とに基づいて、単位時間に、基材表面に平行な単位断面を通過する各マクロパーティクルの数を求め、さらに、各マクロパーティクル毎に求められたマクロパーティクルの数の総和を算出する算出手段と
を備えていることを特徴とするマクロパーティクルの計測装置。
【請求項８】
表面処理装置を用いて基材の表面処理を行う際に発生するマクロパーティクルの発生状況を計測するマクロパーティクルの計測装置であって、
基材の成膜領域に対応した所定の実空間領域を通過する前記マクロパーティクルの各々からの光信号を検知する光検知手段と、
各マクロパーティクルにおいて検知された前記光信号を画像処理することによって各マクロパーティクルの直径および基材方向への速度成分を計測する画像処理手段と、
計測された各マクロパーティクルの直径および速度成分と、前記実空間領域の体積とに基づいて、単位時間に、基材表面に平行な単位断面を通過する各マクロパーティクルの数と、前記直径との積を求め、さらに、各マクロパーティクル毎に求められたマクロパーティクルの数と直径との積の総和を算出する算出手段と
を備えていることを特徴とするマクロパーティクルの計測装置。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載のマクロパーティクルの計測装置を備えていることを特徴とする基材の表面処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面処理技術において発生するマクロパーティクルの計測方法と計測装置、並びに基材の表面処理方法と表面処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
基材上に膜を形成させる表面処理技術において、ＰＶＤ法やＣＶＤ法などの蒸着法がよく用いられている。
【０００３】
例えば、ＰＶＤ法の一種である真空アーク蒸着法は、プラズマ密度が高いため膜応力の制御が容易であり、また基材と膜との間の界面に基材と膜の混合層を形成することにより極めて密着性が高い膜を形成することができるという特徴を有している。
【０００４】
この真空アーク蒸着法を用いた成膜につき、従来の真空アーク蒸着装置の構成を模式的に示した図１０を用いて説明する。図１０に示すように、真空チャンバー１内には、成膜材料で構成された陰極２がバッキングプレート３に保持、固定されている一方、基材４ａが基材ホルダー４に保持、固定されている。
【０００５】
最初に、真空チャンバー１内を図示しないターボ分子ポンプ、ロータリーポンプなどの排気系によって所定の真空度にまで真空排気する。その後、図示しない直流電源から、陰極２に負電位、真空チャンバー１に正電位を印加することにより、アーク放電を開始させる。アーク放電により、真空チャンバー１内にプラズマ６が生成されて、陰極２の表面から成膜材料が蒸発して飛び出す。蒸発した成膜材料は、電源５によって負電位が印加された基材４ａまで到達して、基材４ａの表面に成膜される。
【０００６】
このとき、カーボンなどの焼結材料やタングステンなどの高融点昇華性材料で構成された材料を陰極２に用いた場合、陰極２から火花が発生してプラズマ６の領域内を飛行することが観測され、火花の量が多くなるに伴って、成膜材料により基材４ａの表面に形成された膜の表面粗度が悪化することが観測されている。
【０００７】
この火花は、陰極２において成膜材料の蒸発と共に数ミクロン以上の巨大な粒子であるマクロパーティクル７（金属材料の場合には「ドロップレット」とも言われる）が発生してプラズマ６に混じることにより発生したものと考えられ、これらのマクロパーティクル７が基材４ａの表面に飛来することにより膜の表面粗度の悪化が発生したものと考えられる。
【０００８】
一方、チタンやクロムなどで構成された材料を陰極２に用いた場合には、上記したような火花の発生は殆ど観測されないが、アーク放電における放電電流が大きくなるに伴って形成された膜の表面粗度の悪化が観測されることから、火花を発生しないこれらの成膜材料においても、火花を発しないマクロパーティクルが同様に発生していると考えられる。
【０００９】
このように表面粗度が悪化した膜を機械部品の摺動材などに使用した場合、相手材を損傷させてしまう恐れがある。
【００１０】
このため、マクロパーティクルの発生状況を常時モニターリングし、その発生状況に応じて、適宜、基材シャッターを閉じたり、放電を停止したりして、装置の運転条件を制御、管理することにより、マクロパーティクルの基材への飛来を防止して、膜の表面粗度の悪化を抑制する必要があり、そのための技術が種々提案されている。
【００１１】
例えば、特許文献１には、成膜源およびイオンビーム発生部を有する成膜装置において、２本のレーザー光を照射しその交差部を通過するマクロパーティクルについて、光学的方法などを用いて成膜源から発生するマクロパーティクルの飛行速度を検出し、検出されたマクロパーティクルの飛行速度に応じて成膜面表面をイオンビームエッチングして欠陥形成を防止する技術が示されている。
【００１２】
しかしながら、この技術の場合、検出領域は数１０μｍレベルと非常に狭い領域に留まっていた。この結果、基材方向へ飛行するマクロパーティクル全粒子について厳密な評価を行うことができず、膜の表面粗度の悪化を抑制する技術としては、十分ではなかった。
【００１３】
そこで、特許文献２には、高周波プラズマを利用したプラズマ処理装置において、ガス排気ラインを流れる排気ガスにレーザー光を照射して、マクロパーティクルによる散乱光を広い領域に亘ってＩ−ＣＣＤカメラで撮像し、撮像データーを画像処理することによって撮像領域におけるマクロパーティクルの数を検出し、その結果に基づいて装置の運転条件を制御、管理する技術が示されている。
【００１４】
しかしながら、この技術をもってしても、マクロパーティクルの基材表面への影響を厳密かつ定量的に評価する方法として十分とは言えなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００７−６３５７７号公報
【特許文献２】特開２０１１−１２９７４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
そこで、本発明は、真空アーク蒸着法などにより表面処理を行う際に発生するマクロパーティクルの発生状況をより厳密かつ定量的に評価して、マクロパーティクルが基材表面へ及ぼす影響を管理することにより、表面粗度が極めて優れた薄膜を得ることができるマクロパーティクルの計測方法と計測装置、並びに基材の表面処理方法と表面処理装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者は、上記課題の解決について検討を行うにあたって、従来の技術では何故にマクロパーティクルの発生状況を厳密かつ定量的に評価できなかったのかについて検討した。
【００１８】
その結果、特許文献２に示された技術は、基本的に、撮像領域におけるマクロパーティクルの速度を一定と考えて、マクロパーティクルの密度と速度、および撮像領域の体積に基づいてマクロパーティクルの総数、あるいは単位断面当たりのマクロパーティクルの数を求めていたため、マクロパーティクルの発生状況を十分に評価できていなかったことが分かった。
【００１９】
即ち、陰極から発生したマクロパーティクルは、例えば、数十ｍ／ｈ程度の速度で基材に向けて飛行していくが、その飛行速度は各マクロパーティクル毎に異なっている。このため、撮像領域において同時に計測されたマクロパーティクルであっても、その飛行速度によって基材の表面へ到達するまでの時間が異なり、マクロパーティクルの単位時間に基材の表面へ到達する量が変化する。
【００２０】
そして、この到達量の変化に伴って、膜の表面粗度が変化するため、マクロパーティクルの計測に際しては、各マクロパーティクルの飛行速度についても考慮する必要があることが分かった。
【００２１】
即ち、基材の成膜領域に対応した所定の実空間領域において計測される各マクロパーティクルについて、速度成分を考慮することにより、単位時間に、基材表面に平行な単位断面を通過する各マクロパーティクルの数を正確に知ることができる。
【００２２】
そして、マクロパーティクルの発生状況を厳密かつ定量的に評価し、その評価に基づいて表面処理装置の運転条件を制御、管理することにより、表面粗度が極めて優れた薄膜を得ることができる。
【００２３】
具体的には、実空間領域におけるｉ番目のマクロパーティクルについて、実空間領域の体積Ｖおよび各マクロパーティクルの速度成分ｖｉに基づいて、式（１）を適用することにより、単位時間に、基材表面に平行な単位断面を通過する各マクロパーティクルの数Ｆｉが速度成分も考慮した指標として求められる。
【００２４】
【数１】
2014163834.tif 000003
【００２５】
そして、実空間領域において計測された全てのマクロパーティクルのそれぞれについてマクロパーティクルの数を求めると、その総和（本発明においては、これを「フラックス」と定義する）は、単位時間に、基材表面に平行な単位断面を通過するマクロパーティクルの総数となる。
【００２６】
具体的には、上記の式（１）で得られたＦｉの総和を式（２）により求めることによってフラックスＦが得られる。
【００２７】
【数２】
2014163834.tif 000004
【００２８】
得られたフラックスＦは、速度成分も加味した、単位時間に、基材表面に平行な単位断面を通過するマクロパーティクルの正確な総数であるため、このフラックスＦを算出することによりマクロパーティクルの発生状況を正確に計測することができ、この結果、マクロパーティクルの基材表面への影響を正確に評価、管理することができる。
【００２９】
そして、本発明者は、種々の実験により、フラックスＦが大きくなるに伴って表面粗度が悪化した薄膜が成膜される一方、フラックＦが小さくなるに伴って表面粗度が優れた薄膜が成膜されることを確認した。
【００３０】
請求項１に記載の発明は、上記の知見に基づく発明であって、
表面処理装置を用いて基材の表面処理を行う際に発生するマクロパーティクルの発生状況を計測するマクロパーティクルの計測方法であって、
基材の成膜領域に対応した所定の実空間領域を通過する前記マクロパーティクルの各々からの光信号を光検知手段を用いて検知し、
各マクロパーティクルにおいて検知された前記光信号を画像処理することによって各マクロパーティクルの基材方向への速度成分を計測し、
計測された各マクロパーティクルの速度成分と前記実空間領域の体積とに基づいて、単位時間に、基材表面に平行な単位断面を通過する各マクロパーティクルの数を求め、
さらに、各マクロパーティクル毎に求められたマクロパーティクルの数の総和を算出することにより、
前記マクロパーティクルの発生状況を計測することを特徴とするマクロパーティクルの計測方法である。
【００３１】
本請求項の発明においては、上記したように、基材の成膜領域に対応した所定の実空間領域において各マクロパーティクルからの光信号を検出して画像処理を行っているため、実質的に、成膜に影響を与える全マクロパーティクルを対象としている。そして、単位時間に、基材表面に平行な単位断面を通過する各マクロパーティクルの数を実空間領域の体積および各マクロパーティクルの速度成分に基づいて求め、さらにその総和（フラックス）を算出している。このように、基材に到達するマクロパーティクルの総数を各マクロパーティクルの速度成分を加味して算出しているため、このフラックスを管理することにより、従来の技術に比べて、マクロパーティクルの発生状況をより正確に計測することができ、マクロパーティクルの基材表面への影響をより正確に評価、管理することができる。
【００３２】
なお、本請求項の発明において、「光信号」としては、火花状に光るマクロパーティクルからの可視光信号だけでなく、前記した光らないマクロパーティクルから発せられる赤外光信号やレーザーなどの照射により発せられる散乱光信号なども含まれる。
【００３３】
次に、本発明者がさらに検討を進めたところ、上記の発明に示した技術は、マクロパーティクルの粒度がほぼ同じ場合、あるいは粒度分布がほぼ一定の場合は問題なく適用することができるが、マクロパーティクルの粒度分布が変化するような場合には未だ十分ではないことが分かった。
【００３４】
即ち、大きな粒度のマクロパーティクルが基材に付着すると、小さな粒度のマクロパーティクルが基材に付着した場合に比べて、表面粗度が悪化した薄膜が成膜されるため、マクロパーティクルの粒度分布が変化するような場合には、上記したマクロパーティクルの速度成分に加えて、さらに、個々のマクロパーティクルの粒度についても考慮する必要がある。
【００３５】
そこで、先ず、基材の成膜領域に対応した所定の実空間領域において計測される各マクロパーティクルについて、前記のように速度成分を考慮して、単位時間に、基材表面に平行な単位断面を通過するマクロパーティクルの数を求め、得られたマクロパーティクルの数とそのマクロパーティクルの直径の積を求める。
【００３６】
具体的には、実空間領域におけるｉ番目のマクロパーティクルについて、実空間領域の体積Ｖと各マクロパーティクルの速度成分ｖｉおよび直径ｄｉに基づいて、式（３）を適用することにより、各マクロパーティクルにおいて粒度分布も考慮した指標ＶＦｉが求められる。
【００３７】
【数３】
2014163834.tif 000005
【００３８】
そして、実空間領域において計測された全てのマクロパーティクルのそれぞれについて得られたＶＦｉ（各マクロパーティクルの数と直径の積）を合計して、その総和（本発明においては、これを「ボリュームフラックス」と定義する）を求める。
【００３９】
具体的には、上記の式（３）で得られたＶＦｉの総和を式（４）により求めることによってボリュームフラックスＶＦが得られる。
【００４０】
【数４】
2014163834.tif 000006
【００４１】
上記で得られたボリュームフラックスＶＦを用いた場合、発生しているマクロパーティクルの数が同じ場合には大きなマクロパーティクルが含まれているほど、ボリュームフラックスＶＦが大きくなり、表面粗度が悪化した薄膜が成膜される。一方、マクロパーティクルが小さいほどボリュームフラックスＶＦが小さくなり、表面粗度が優れた薄膜が成膜される。
【００４２】
請求項２に記載の発明は、上記の知見に基づく発明であって、
表面処理装置を用いて基材の表面処理を行う際に発生するマクロパーティクルの発生状況を計測するマクロパーティクルの計測方法であって、
基材の成膜領域に対応した所定の実空間領域を通過する前記マクロパーティクルの各々からの光信号を光検知手段を用いて検知し、
各マクロパーティクルにおいて検知された前記光信号を画像処理することによって各マクロパーティクルの直径および基材方向への速度成分を計測し、
計測された各マクロパーティクルの直径および速度成分と、前記実空間領域の体積とに基づいて、単位時間に、基材表面に平行な単位断面を通過する各マクロパーティクルの数と、前記直径との積を求め、
さらに、各マクロパーティクル毎に求められたマクロパーティクルの数と直径との積の総和を算出することにより、
前記マクロパーティクルの発生状況を計測することを特徴とするマクロパーティクルの計測方法である。
【００４３】
本請求項の発明においても、請求項１の発明と同様の画像処理を行っているため、実質的に、成膜に影響を与える全マクロパーティクルを対象としている。そして、上記したように、単位時間に、基材表面に平行な単位断面を通過する各マクロパーティクルについて、速度成分のみならず粒度分布をも加味して、最終的にボリュームフラックスを算出しているため、このボリュームフラックスを管理することにより、粒度分布が変化するマクロパーティクルの発生状況を正確に計測することができ、マクロパーティクルの基材表面への影響を正確に評価、管理することができる。
【００４４】
なお、本請求項の発明においては、ボリュームフラックスの算出に際して各マクロパーティクルの直径を用いているが、マクロパーティクルの直径に関係する半径や体積など、直径の増減に対して単調に増減する関数で表すことができる物理量を直径に替えて用いて、前記したボリュームフラックスと同様の算出を行うことも、本請求項の発明に含まれる。
【００４５】
請求項３に記載の発明は、
前記マクロパーティクルの基材方向への速度成分として、前記基材の表面に対して直交する速度成分を用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマクロパーティクルの計測方法である。
【００４６】
各マクロパーティクルは、通常、基材の表面に対して傾斜して飛行している。しかし、各マクロパーティクルの成膜に影響を与える速度成分は、基材の表面に対して直交する速度成分である。従って、各マクロパーティクルの基材方向への速度成分として、基材の表面に対して直交する速度成分を用いることにより、マクロパーティクルの基材表面への影響をより正確に評価、管理することができる。
【００４７】
なお、本請求項の発明において、「基材の表面に対して直交する速度成分」は、厳密に基材の表面に対して直交する速度成分に限定されず、若干傾斜していても成膜に与える影響は実質的に同等とみなすことができるため、「基材の表面に対して略直交する速度成分」であってもよい。
【００４８】
請求項４に記載の発明は、
前記光検知手段として、撮像素子を具備したカメラを用いることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法である。
【００４９】
ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子を具備したカメラは、光に対する感度が高く、ノイズが少ないため、高い精度で光信号を検知することができる。また、これらのカメラは、基材の成膜領域に対応した広い実空間領域を確実かつ容易に確保することができるため、光検知手段として好ましい。
【００５０】
なお、マクロパーティクルの光信号の強度が不十分な場合には、光増倍機能が付加されたカメラを使用することもできる。
【００５１】
請求項５に記載の発明は、
放電によって陰極材料を蒸発させることにより成膜を行う真空アーク蒸着装置を用いて基材の表面処理を行う際に発生する前記マクロパーティクルの発生状況を計測することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法である。
【００５２】
本発明が適用される基材の表面処理法としては、真空アーク蒸着法、イオン注入法、エッチング法、クリーニング法など、種々の表面処理法を挙げることができるが、この内でも、放電によって陰極材料を蒸発させることにより成膜を行う真空アーク蒸着装置を用いる真空アーク蒸着法の場合、本発明の効果を特に顕著に発揮させることができる。
【００５３】
請求項６に記載の発明は、
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法を用いてマクロパーティクルの発生状況を計測し、
計測の結果に基づいて、表面処理装置の運転状況を制御、管理する
ことを特徴とする基材の表面処理方法である。
【００５４】
上記の各マクロパーティクルの計測方法を用いることにより、マクロパーティクルの発生状況を正確に計測することができるため、その結果に基づいて表面処理装置の運転状況を制御、管理することにより、表面粗度が極めて優れた薄膜を形成させることができる。
【００５５】
請求項７に記載の発明は、
表面処理装置を用いて基材の表面処理を行う際に発生するマクロパーティクルの発生状況を計測するマクロパーティクルの計測装置であって、
基材の成膜領域に対応した所定の実空間領域を通過する前記マクロパーティクルの各々からの光信号を検知する光検知手段と、
各マクロパーティクルにおいて検知された前記光信号を画像処理することによって各マクロパーティクルの速度成分を計測する画像処理手段と、
計測された各マクロパーティクルの速度成分と前記実空間領域の体積とに基づいて、単位時間に、基材表面に平行な単位断面を通過する各マクロパーティクルの数を求め、さらに、各マクロパーティクル毎に求められたマクロパーティクルの数の総和を算出する算出手段と
を備えていることを特徴とするマクロパーティクルの計測装置である。
【００５６】
請求項８に記載の発明は、
表面処理装置を用いて基材の表面処理を行う際に発生するマクロパーティクルの発生状況を計測するマクロパーティクルの計測装置であって、
基材の成膜領域に対応した所定の実空間領域を通過する前記マクロパーティクルの各々からの光信号を検知する光検知手段と、
各マクロパーティクルにおいて検知された前記光信号を画像処理することによって各マクロパーティクルの直径および基材方向への速度成分を計測する画像処理手段と、
計測された各マクロパーティクルの直径および速度成分と、前記実空間領域の体積とに基づいて、単位時間に、基材表面に平行な単位断面を通過する各マクロパーティクルの数と、前記直径との積を求め、さらに、各マクロパーティクル毎に求められたマクロパーティクルの数と直径との積の総和を算出する算出手段と
を備えていることを特徴とするマクロパーティクルの計測装置である。
【００５７】
上記請求項７および請求項８に記載の発明は、方法の発明である請求項１および請求項２に記載の発明を装置の面から捉えたものであり、これらのマクロパーティクルの計測装置を用いることにより、前記したように、マクロパーティクルの基材表面への影響をより正確に評価、管理することができ、表面粗度が極めて優れた薄膜を得ることができる。
【００５８】
請求項９に記載の発明は、
請求項７または請求項８に記載のマクロパーティクルの計測装置を備えていることを特徴とする基材の表面処理装置である。
【００５９】
上記のマクロパーティクルの計測装置を備えていることにより、基材の表面処理に際して、マクロパーティクルの発生状況を計測して、基材表面への影響をより正確に評価、管理することができるため、表面粗度が極めて優れた薄膜が形成された基材を提供することができる。
【発明の効果】
【００６０】
本発明によれば、真空アーク蒸着法などにより表面処理を行う際に発生するマクロパーティクルの発生状況をより厳密かつ定量的に評価して、マクロパーティクルが基材表面へ及ぼす影響を管理することにより、表面粗度が極めて優れた薄膜を得ることができるマクロパーティクルの計測方法と計測装置、並びに基材の表面処理方法と表面処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施の形態に係る真空アーク蒸着装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態において、撮像領域を通過するマクロパーティクルの様子を模式的に示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態において、撮像領域を撮像した撮像画像を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態において、撮像領域を通過するマクロパーティクルの様子を模式的に示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態において、撮像領域を撮像した撮像画像を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態において、撮像領域を通過するマクロパーティクルの様子を模式的に示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態において、撮像領域を撮像した撮像画像を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態において、撮像領域を通過するマクロパーティクルの様子を模式的に示す図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態において、撮像領域を撮像した撮像画像を示す図である。
【図１０】従来の真空アーク蒸着装置の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
以下、本発明の実施の形態につき、具体的に説明する。なお、以下においては、基材の表面処理法として、真空アーク蒸着法を例に挙げて説明するが、前記したように、その他の表面処理法、例えば、イオン注入法、エッチング法、クリーニング法などにおいても同様に本発明を適用することができる。
【００６３】
図１に本実施の形態に係る真空アーク蒸着装置の構成を模式的に示す。図１に示すように、本実施の形態に係る真空アーク蒸着装置は、基本的には、図１０に示した従来の真空アーク蒸着装置と同様の構成を有している。しかし、カメラ９により撮像領域１１において光信号として捉えられた画像に基づいて、以下の２つの実施の形態に示す算出手段のいずれかを備えている点で従来の真空アーク蒸着装置とは異なっている。
【００６４】
１．第１の実施の形態
第１の実施の形態は、各マクロパーティクルの速度成分を加味して、基材の成膜領域に対応した所定の実空間領域を通過するマクロパーティクルの数を求め、さらに、各マクロパーティクル毎に求められたマクロパーティクルの数の総和（フラックス）を算出する算出手段を真空アーク蒸着装置に備えており、前記したように、マクロパーティクルの粒度がほぼ同じ場合、あるいは粒度分布がほぼ一定の場合に適用することが好ましい。
【００６５】
図２に、本実施の形態において撮像領域１１を通過するマクロパーティクル７の様子を模式的に示す。マクロパーティクルの各々は、ｖ１、ｖ２、ｖ３、・・・、ｖｉ（ｉ番目のマクロパーティクルであることを示す）、・・のようにそれぞれ異なる速度成分で、撮像領域１１を基材の表面に対して直交して飛行している。
【００６６】
このため、前記したように、撮像領域において同時に計測されたマクロパーティクルであっても、その速度成分によって基材の表面へ到達するまでの時間が異なり、マクロパーティクルの単位時間に基材の表面へ到達する量が変化する。
【００６７】
そこで、本実施の形態においては、各マクロパーティクルの速度成分についても考慮して、単位時間に、基材表面に平行な単位断面を通過する各マクロパーティクルの数を正確に計測するようにしている。
【００６８】
具体的には、図２において、撮像領域１１の体積をＶ、基材表面に平行な断面の断面積をＳ、ｉ番目のマクロパーティクルの速度成分をｖｉとすると、単位時間に、基材表面に平行な断面積Ｓの断面を通過するｉ番目のマクロパーティクルの数はｖｉＳ／Ｖとなる。
【００６９】
従って、単位時間に、基材表面に平行な単位断面を通過するｉ番目のマクロパーティクルの数をＦｉとすると、このＦｉは式（５）のように示すことができ、Ｆｉを求めることにより、速度成分も考慮した各マクロパーティクルの数を正確に知ることができる。
【００７０】
【数５】
2014163834.tif 000007
【００７１】
そして、式（５）を用いて、実空間領域において計測された全てのマクロパーティクルのそれぞれについてマクロパーティクルの数Ｆｉを求めると、その総和、即ち、本明細書において定義するフラックスＦは、単位時間に、基材表面に平行な単位断面を通過するマクロパーティクルの総数となり、式（６）のように表すことができる。
【００７２】
【数６】
2014163834.tif 000008
【００７３】
このとき、各Ｆｉは、基材の成膜領域に対応した所定の実空間領域における各マクロパーティクルからの光信号を検出して求められているため、フラックスＦの算出は、実質的に、成膜に影響を与える全マクロパーティクルを捉えて行われていることになる。
【００７４】
そして、フラックスＦは各マクロパーティクルの速度成分を加味して求められた各Ｆｉを総和して算出して、マクロパーティクルの発生状況を正確に計測しているため、得られたフラックスＦに基づいて成膜装置の運転状況を制御、管理することにより、マクロパーティクルの基材表面への影響を正確に評価、管理して、表面粗度が優れた薄膜を提供することができる。
【００７５】
なお、式（５）および式（６）における各マクロパーティクルの速度成分ｖｉは、図３に示す撮像領域を撮像した撮像画像を用いて求めることができる。
【００７６】
具体的には、図３に示す撮像画像１２が、露光時間（いわゆる、シャッタータイム）ｔで得られたものとすると、露光時間内に飛行する各マクロパーティクルの飛行距離ｌｉ、即ち、図３における各線分の長さは、それぞれの速度成分ｖｉに応じて異なっているため、ｉ番目のマクロパーティクルの速度成分ｖｉは、露光時間ｔおよび飛行距離ｌｉに基づいて、式（７）を用いることにより求めることができる。
【００７７】
【数７】
2014163834.tif 000009
【００７８】
なお、具体的な撮像は、通常、３０フレーム／秒のフレームレートで行われるが、これに限定されるものではない。
【００７９】
式（６）に示されたｖｉに式（７）を適用することにより、フラックスＦは式（８）のように示すことができる。
【００８０】
【数８】
2014163834.tif 000010
【００８１】
このように、上記においては、露光時間ｔと各マクロパーティクルの飛行距離ｌｉとに基づいて、各マクロパーティクルの速度成分を簡便に求めることができる。
【００８２】
なお、上記の説明においては、各マクロパーティクルの各々が基材の表面に対して直交する方向に飛行していることを前提にしているが、通常、各マクロパーティクルは、図４に示すように、基材の表面に対して傾斜して飛行しており、撮像画像も、図５に示すように基材の表面に対して傾斜した飛行軌跡を示す。
【００８３】
このとき、各マクロパーティクルの成膜に影響を与える速度成分は、基材の表面に対して直交する速度成分であるため、各マクロパーティクルの基材方向への速度成分としては、基材の表面に対して直交する速度成分を用いることが好ましい。
【００８４】
具体的には、ｉ番目のマクロパーティクルが基材方向に対して飛行角度θｉをなして速度成分ｖｉで飛行している場合、単位時間に、基材表面に平行な断面積Ｓの断面を通過するｉ番目のマクロパーティクルの数はｖｉ・ｃｏｓθｉ・Ｓ／Ｖとなるため、単位時間に、基材表面に平行な単位断面を通過するｉ番目のマクロパーティクルの数Ｆｉは式（９）のように示すことができる。
【００８５】
【数９】
2014163834.tif 000011
【００８６】
そして、その総和であるフラックスＦは式（１０）および式（１１）のように示すことができる。
【００８７】
【数１０】
2014163834.tif 000012
【００８８】
【数１１】
2014163834.tif 000013
【００８９】
以上のように、本実施の形態において算出されたフラックスＦはマクロパーティクルの発生状況を正確に計測して、基材に到達するマクロパーティクルの数を正確に示しているため、前記したように、フラックスＦが大きくなるに伴って基材に到達するマクロパーティクルの数が多くなり表面粗度が悪化した薄膜が成膜される一方、フラックスＦが小さくなるに伴って基材に到達するマクロパーティクルの数が少なくなり表面粗度が優れた薄膜が成膜される。
【００９０】
このため、このフラックスの大きさに基づいてマクロパーティクルの基材表面への影響を厳密に評価することができ、その評価に基づいて、基材シャッターの開閉など、表面処理装置の運転条件を制御、管理することにより、マクロパーティクルの基材への飛来を防止して、極めて表面粗度の良い薄膜を成膜することができる。
【００９１】
２．第２の実施の形態
第２の実施の形態は、各マクロパーティクルの速度成分だけでなく粒度分布も加味して、基材の成膜領域に対応した所定の実空間領域を通過するマクロパーティクルの数と直径の積を求め、さらに、各マクロパーティクル毎に求められたマクロパーティクルの数と直径の積の総和（ボリュームフラックス）を算出する算出手段を真空アーク蒸着装置に備えており、前記したように、マクロパーティクルの粒度が変化するような場合に適用することが好ましい。
【００９２】
図６に、本実施の形態において撮像領域１１を通過するマクロパーティクル７の様子を模式的に示す。ｄ１、ｄ２、ｄ３、・・・、ｄｉ（ｉ番目のマクロパーティクルであることを示す）、・・のようにそれぞれ異なる直径の各マクロパーティクルが、ｖ１、ｖ２、ｖ３、・・・、ｖｉ、・・のようにそれぞれ異なる速度成分で撮像領域１１を基材の表面に対して直交して飛行している。
【００９３】
そして、前記したように、大きな粒度のマクロパーティクルが基材に付着すると、小さな粒度のマクロパーティクルが基材に付着した場合に比べて、表面粗度が悪化した薄膜が成膜されるため、マクロパーティクルの速度成分だけでなく、マクロパーティクルの大きさについても考慮する必要がある。
【００９４】
そこで、本実施の形態においては、各マクロパーティクルの速度成分に加えて、各マクロパーティクルの大きさ（直径）も加味して、マクロパーティクルの発生状況を計測する。
【００９５】
具体的には、図６において、撮像領域１１の体積をＶ、基材表面に平行な断面の断面積をＳ、ｉ番目のマクロパーティクルの直径をｄｉ、速度成分をｖｉとすると、単位時間に、基材表面に平行な断面積Ｓの単位断面を通過するｉ番目のマクロパーティクルの数と直径の積はｄｉｖｉＳ／Ｖとなる。
【００９６】
従って、単位時間に、基材表面に平行な単位断面を通過するｉ番目のマクロパーティクルにおけるマクロパーティクルの数と直径の積をＶＦｉとすると、このＶＦｉは式（１２）のように示すことができ、ＶＦｉを求めることにより、速度成分に加えて粒度分布を考慮したマクロパーティクルの発生状況の計測を行うことができる。
【００９７】
【数１２】
2014163834.tif 000014
【００９８】
そして、式（１２）を用いて、実空間領域において計測された全てのマクロパーティクルのそれぞれについて、マクロパーティクルの数と直径の積、即ち、ＶＦｉを求めると、その総和、即ち、本明細書において定義するボリュームフラックスＶＦは、式（１３）のように表すことができる。
【００９９】
【数１３】
2014163834.tif 000015
【０１００】
このとき、各ＶＦｉは、基材の成膜領域に対応した所定の実空間領域において各マクロパーティクルからの光信号を検出して求められているため、ボリュームフラックスＶＦの算出は、実質的に、成膜に影響を与える全マクロパーティクルを捉えて行われていることになる。
【０１０１】
そして、ボリュームフラックスＶＦは各マクロパーティクルの速度成分および粒度分布を加味して求められた各ＶＦｉを総和して算出して、マクロパーティクルの発生状況を正確に計測しているため、得られたボリュームフラックスＶＦに基づいて成膜装置の運転状況を制御、管理することにより、マクロパーティクルの基材表面への影響を正確に評価、管理して、表面粗度が優れた薄膜を提供することができる。
【０１０２】
なお、式（１２）および式（１３）における各マクロパーティクルの速度成分ｖｉおよび直径ｄｉは、図７に示す撮像領域を撮像した撮像画像を用いて求めることができる。
【０１０３】
具体的には、図７に示す撮像画像１２が、露光時間（いわゆる、シャッタータイム）ｔで得られたものとすると、露光時間内に飛行する各マクロパーティクルの飛行距離ｌｉ、即ち、図７における各線分の長さは、それぞれの速度成分ｖｉに応じて異なっているため、ｉ番目のマクロパーティクルの速度成分ｖｉは、露光時間ｔおよび飛行距離ｌｉに基づいて、式（１４）を用いることにより求めることができる。また、ｉ番目のマクロパーティクルの直径ｄｉは、各線分の太さから求めることができる。
【０１０４】
【数１４】
2014163834.tif 000016
【０１０５】
式（１３）に示されたｖｉに式（１４）を適用することにより、ボリュームフラックスＶＦは式（１５）のように示すことができる。
【０１０６】
【数１５】
2014163834.tif 000017
【０１０７】
このように、上記においては、露光時間ｔと各マクロパーティクルの飛行距離ｌｉおよび直径ｄｉに基づいて、各マクロパーティクルの速度成分および粒度分布を加味して、各マクロパーティクルの数と直径の積を求めることができる。
【０１０８】
なお、上記の説明においては、各マクロパーティクルの各々が基材の表面に対して直交する方向に飛行していることを前提にしているが、前記したように、通常、各マクロパーティクルは、図８に示すように、基材の表面に対して傾斜して飛行しており、撮像画像も、図９に示すように基材の表面に対して傾斜した飛行軌跡を示す。
【０１０９】
このとき、各マクロパーティクルの成膜に影響を与える速度成分は、基材の表面に対して直交する速度成分であるため、第１の実施の形態の場合と同様に、各マクロパーティクルの基材方向への速度成分としては、基材の表面に対して直交する速度成分を用いることが好ましい。
【０１１０】
具体的には、ｉ番目のマクロパーティクル（直径ｄｉ）が基材方向に対して角度θｉをなして速度成分ｖｉで飛行している場合、単位時間に、基材表面に平行な断面積Ｓの断面を通過するｉ番目のマクロパーティクルの直径と数の積はｄｉ・ｖｉ・ｃｏｓθｉ・Ｓ／Ｖとなるため、単位時間に、基材表面に平行な単位断面を通過するｉ番目のマクロパーティクルにおけるマクロパーティクルの直径と数の積、即ちＶＦｉは式（１６）のように示すことができる。
【０１１１】
【数１６】
2014163834.tif 000018
【０１１２】
そして、その総和であるボリュームフラックスＶＦは式（１７）および式（１８）のように示すことができる。
【０１１３】
【数１７】
2014163834.tif 000019
【０１１４】
【数１８】
2014163834.tif 000020
【０１１５】
以上のように、本実施の形態において算出されたボリュームフラックスは、マクロパーティクルの発生状況を正確に計測しているため、前記したように、ボリュームフラックスＶＦが大きいほど、表面粗度が悪化した薄膜が成膜される一方、ボリュームフラックスＶＦが小さいほど表面粗度が優れた薄膜が成膜される。
【０１１６】
このため、このボリュームフラックスの大きさに基づいてマクロパーティクルの基材表面への影響を厳密に評価することができ、その評価に基づいて、基材シャッターの開閉など、表面処理装置の運転条件を制御、管理することにより、マクロパーティクルの基材への飛来を防止して、極めて表面粗度の良い薄膜を成膜することができる。
【０１１７】
なお、上記においては、各マクロパーティクルの直径を用いてボリュームフラックスの算出を行っているが、前記したように、マクロパーティクルの直径に関係する半径や体積など、直径の増減に対して単調に増減する関数で表すことができる物理量を用いて、前記したボリュームフラックスと同様の算出を行うこともできる。
【０１１８】
例えば、体積を用いてボリュームフラックスの算出を行う場合には、式（１５）は式（１９）に、また、式（１８）は式（２０）のようになる。
【０１１９】
【数１９】
2014163834.tif 000021
【０１２０】
【数２０】
2014163834.tif 000022
【０１２１】
そして、前記した直径の増減に対して単調に増減する関数で表すことができる物理量ｆ（ｄｉ）を用いてボリュームフラックスの算出を行う場合には、式（１５）は式（２１）に、また、式（１８）は式（２２）のようになる。
【０１２２】
【数２１】
2014163834.tif 000023
【０１２３】
【数２２】
2014163834.tif 000024
【０１２４】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【０１２５】
１                    真空チャンバー
２                    陰極
３                    バッキングプレート
４                    基材ホルダー
４ａ                  基材
５                    電源
６                    プラズマ
７                    マクロパーティクル
８                    窓
９                    カメラ
１０                    画像処理装置
１１                    撮像領域
１２                    撮像画像
θｉ                    （ｉ番目のマクロパーティクルの）飛行角度
Ｖ                      撮像領域の体積
Ｓ                      断面積
【図１】
2014163834.tif 000025
【図２】
2014163834.tif 000026
【図３】
2014163834.tif 000027
【図４】
2014163834.tif 000028
【図５】
2014163834.tif 000029
【図６】
2014163834.tif 000030
【図７】
2014163834.tif 000031
【図８】
2014163834.tif 000032
【図９】
2014163834.tif 000033
【図１０】
2014163834.tif 000034