(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱プラズマによって試料の表面処理を行うための表面処理方法であって、
コイルに第一の振幅を有する交流電流を流すことによって第一の磁界を前記熱プラズマに印加する第一印加ステップと、
前記コイルに前記第一の振幅とは異なる第二の振幅を有する交流電流を流すことによって第二の磁界を前記熱プラズマに印加する第二印加ステップと、
前記熱プラズマの発光スペクトルを計測する計測ステップとを含み、
前記熱プラズマ中に配置された前記試料の表面温度を所定範囲内に維持し、かつ、前記計測ステップで計測される前記熱プラズマの発光スペクトルに含まれる第一の波長成分の強さが、当該第一印加ステップと、当該第二印加ステップとでは、所定値以上異なるように、当該第一印加ステップと当該第二印加ステップとが繰り返される
表面処理方法。
【請求項２】
前記表面処理方法において、
前記試料の表面温度を９７０℃〜１０３０℃に維持するように、前記第一印加ステップと前記第二印加ステップとが繰り返される
請求項１に記載の表面処理方法。
【請求項３】
前記表面処理方法において、
前記第一の振幅をＡ１とし、前記第二の振幅をＡ２とするとき、０．３５≦Ａ２／Ａ１＜１となるように、前記第一印加ステップと前記第二印加ステップとが繰り返される
請求項１または請求項２に記載の表面処理方法。
【請求項４】
前記表面処理方法において、
前記第一の波長成分は、熱プラズマ中のＨ原子の輝線に対応する波長成分である
請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面処理方法。
【請求項５】
前記試料としてシリコンを用い、Ａｒ、Ｈ２及びＣＨ４の混合ガス雰囲気中で、請求項１〜４のいずれか１項に記載の表面処理方法を施すことにより、前記試料の表面に炭素膜を生成する
炭素膜生成方法。
【請求項６】
前記試料としてチタンを用い、Ａｒ、Ｈ２及びＣＨ４の混合ガス雰囲気中で、請求項１〜４のいずれか１項に記載の表面処理方法を施すことにより、前記試料の表面を浸炭処理する
浸炭処理方法。
【請求項７】
熱プラズマによって試料の表面処理を行うための表面処理装置であって、
電流を流すことで前記熱プラズマに磁界を印加するコイルと、
前記コイルに前記電流として第一の振幅の交流電流を流すことにより生ずる第一の磁界と、前記コイルに前記電流として第二の振幅の交流電流を流すことにより生ずる第二の磁界とが交互に前記熱プラズマに印加されるように、前記コイルに流れる電流値を制御する電流制御部と、
前記熱プラズマの発光スペクトルを計測する分光器とを備え、
前記電流制御部は、前記熱プラズマ中に配置された試料の表面温度を所定範囲内に維持し、かつ、前記分光器により計測される前記熱プラズマの発光スペクトルに含まれる第一の波長成分の強さが、前記熱プラズマに前記第一の磁界を印加する期間と、前記熱プラズマに前記第二の磁界を印加する期間とでは、所定値以上異なるように、前記コイルに流れる電流値を制御する
表面処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面処理方法、及び、表面処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波誘導熱プラズマＩＣＴＰ（Inductively Coupled Thermal Plasma）は、ガス温度が数千から数万Ｋ（ケルビン）となり、エンタルピーが極めて高く反応性が高い。さらに無電極でクリーンな熱プラズマ空間を形成でき、不純物の混入が極めて少ない。これらの利点を生かして、炭素膜の生成、または、浸炭処理などのような様々な表面処理への応用が期待される。
【０００３】
熱プラズマは高い重粒子温度と熱容量とを有することから被処理物に熱的ダメージを与えるという問題がある。従来の熱プラズマによる浸炭処理方法として、マイクロパルス電源を用いて被処理物の温度を制御する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。特許文献１に示される技術によれば、被処理物が過熱されない温度に維持しながらプラズマ浸炭処理を行うことができる。また、浸炭処理と時効硬化とが同時に行われることで生産効率が高い。
【０００４】
また、ＩＣＴＰを維持するコイル電流をミリ秒程度の周期で矩形波的に振幅変調させることにより、熱プラズマを過渡状態にするパルス変調誘導熱プラズマＰＭＩＴＰ（Pulse-Modulated Induction Thermal Plasma）が開発されている。ＰＭＩＴＰにより、ＩＣＴＰのガス温度及び電子温度の高温状態と低温状態とを交互に起こすことができる。この高温状態と低温状態とを利用して、微粒子の製造に活用されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１０９７９号公報
【特許文献２】特開２０１０−１３１５７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
熱プラズマによる表面処理において、高温の熱プラズマが被処理物に熱的ダメージを与えるという問題がある。また、熱プラズマに印加する磁界をより適切に制御することにより、表面処理が高速化される余地がある。
【０００７】
よって、被処理物に与える熱的ダメージを抑制するとともに、より高速に熱プラズマによる表面処理を行うことが課題となる。
【０００８】
上記課題に対し、特許文献１に開示された技術によれば、被処理物に与える熱的ダメージを抑制することが可能である。しかし、表面処理（浸炭処理）自体の高速化については、なんら言及されていない。
【０００９】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、被処理物に与える熱的ダメージを抑制するとともに、被処理物に与える熱的ダメージを抑制するとともに、より高速に熱プラズマによる表面処理を行う表面処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の一様態に係る表面処理方法は、熱プラズマによって試料の表面処理を行うための表面処理方法であって、コイルに第一の振幅を有する交流電流を流すことによって第一の磁界を前記熱プラズマに印加する第一印加ステップと、前記コイルに前記第一の振幅とは異なる第二の振幅を有する交流電流を流すことによって第二の磁界を前記熱プラズマに印加する第二印加ステップとを含み、前記熱プラズマ中に配置された前記試料の表面温度を所定範囲内に維持し、かつ、前記熱プラズマの発光スペクトルに含まれる第一の波長成分の強さが、当該第一印加ステップと、当該第二印加ステップとでは、所定値以上異なるように、当該第一印加ステップと当該第二印加ステップとが繰り返される。
【００１１】
これによれば、試料（被処理物）の表面温度を、試料が熱的ダメージを受けない温度に維持される。また、熱プラズマ中の活性化学種（ラジカル）を増加させ、熱プラズマに印加される磁場の変化に同期して、効率よく表面処理を行うための２つの工程を交互に行うことができる。よって、被処理物に与える熱的ダメージを抑制するとともに、より高速に熱プラズマによる表面処理を行うことができる。
【００１２】
また、好ましくは、前記表面処理方法において、前記試料の表面温度を９７０℃〜１０３０℃に維持するように、前記第一印加ステップと前記第二印加ステップとが繰り返される。
【００１３】
また、好ましくは、前記表面処理方法において、前記第一の振幅をＡ１とし、前記第二の振幅をＡ２とするとき、０．３５≦Ａ２／Ａ１＜１となるように、前記第一印加ステップと前記第二印加ステップとが繰り返される。
【００１４】
また、好ましくは、前記表面処理方法において、前記第一の波長成分は、熱プラズマ中のＨ原子の輝線に対応する波長成分である。
【００１５】
これらによれば、より適切な温度範囲、電流の振幅値の比率の範囲、または、エッチングとデポジションとの繰り返し周期の条件で、試料の表面処理を行うことができる。よって、被処理物に与える熱的ダメージを抑制するとともに、より高速に熱プラズマによる表面処理を行うことができる。
【００１６】
また、本発明の一態様に係る炭素膜生成方法は、前記試料としてシリコンを用い、Ａｒ、Ｈ２及びＣＨ４の混合ガス雰囲気中で、表面処理方法を施すことにより、前記試料の表面に炭素膜を生成する。
【００１７】
これによれば、試料の表面処理の１つとして、シリコン基板への炭素膜の生成を行うことができる。つまり、被処理物に与える熱的ダメージを抑制するとともに、より高速に熱プラズマによる炭素膜生成を行うことができる。
【００１８】
また、本発明の一態様に係る浸炭処理方法は、前記試料としてチタンを用い、Ａｒ、Ｈ２及びＣＨ４の混合ガス雰囲気中で、表面処理方法を施すことにより、前記試料の表面を浸炭処理する。
【００１９】
これによれば、試料の表面処理の１つとして、チタンの浸炭処理を行うことができる。つまり、被処理物に与える熱的ダメージを抑制するとともに、より高速に熱プラズマによる浸炭処理を行うことができる。
【００２０】
また、本発明の一態様に係る表面処理装置は、熱プラズマによって試料の表面処理を行うための表面処理装置であって、前記熱プラズマに磁界を印加するコイルと、前記コイルに前記電流として第一の振幅の交流電流を流すことにより生ずる第一の磁界と、前記コイルに前記電流として第二の振幅の交流電流を流すことにより生ずる第二の磁界とが交互に前記熱プラズマに印加されるように、前記コイルに流れる電流値を制御する電流制御部とを備え、前記電流制御部は、前記熱プラズマ中に配置された試料の表面温度を所定範囲内に維持し、かつ、前記熱プラズマの発光スペクトルに含まれる第一の波長成分の強さが、前記熱プラズマに前記第一の磁界を印加する期間と、前記熱プラズマに前記第二の磁界を印加する期間とでは、所定値以上異なるように、前記コイルに流れる電流値を制御する。
【００２１】
これにより、上記の表面処理と同様の効果を奏する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明により、被処理物に与える熱的ダメージを抑制するとともに、より高速に熱プラズマによる表面処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の一態様に係る表面処理装置の概観図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１に係る表面処理方法の手順を示す図である。
【図３】図３は、本発明の一態様に係る表面処理装置のコイル電流の変化を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１に係る炭素膜生成装置の一例の概観図である。
【図５】図５は、試料上に生成された炭素膜の一例を示す図である。
【図６】図６は、炭素膜生成方法を施した試料表面のラマン分光測定結果の一例である。
【図７】図７は、熱プラズマ中のガス組成の一例を示す図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態２に係る浸炭処理装置の一例の概観図である。
【図９】図９は、浸炭処理を施された試料の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、浸炭処理中の試料表面の温度の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、浸炭処理を施された試料のＸＲＤ分析結果の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より好ましい形態を構成する任意の構成要素として説明される。
【００２５】
なお、同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
【００２６】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１ついて、図面を参照して詳細に説明する。実施の形態１は、本発明の一態様に係る表面処理装置を用いて試料の表面に炭素膜を生成する炭素膜生成装置及び炭素膜生成方法の例を示す。
【００２７】
図１は、本発明の一態様に係る表面処理装置１００の概観図である。なお、図１の一部には、表面処理装置１００の断面が示される。
【００２８】
図１に示されるように、本発明の一態様に係る表面処理装置１００は、石英管１１１と、石英管１１２と、コイル１０１と、電流制御部１０２とを備える。
【００２９】
石英管１１１は、石英管１１２の内部に配置される。石英管１１１の内部には所定のガスが導入され、熱プラズマが発生する。石英管１１１と石英管１１２との隙間に水を流すことにより石英管１１１をほぼ３００Ｋ（ケルビン）に保つ。石英管１１１の内径は、例えば、７０ｍｍである。
【００３０】
コイル１０１は、当該コイルに流れる電流により熱プラズマに磁界を印加する。コイル１０１の巻き数は、例えば、８ターンである。
【００３１】
電流制御部１０２は、コイル１０１に流す電流（コイル電流）を制御する。電流制御部１０２は、例えば、基本周波数４５０ｋＨｚ、定格電力５０ｋＷのＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）インバータ電源で実現される。
【００３２】
図２は、本実施の形態に係る表面処理方法の手順を示す図である。
【００３３】
まず、従来と同様の方法により石英管１１１の内部に熱プラズマを発生させる。
【００３４】
次に、第一の振幅の交流電流をコイル１０１に印加する（Ｓ２０２）。この交流電流により生ずる第一の磁界が熱プラズマに印加される。
【００３５】
次に、第一の振幅と異なる第二の振幅の交流電流をコイル１０１に印加する（Ｓ２０３）。この交流電流により生ずる第二の磁界が熱プラズマに印加される。
【００３６】
その後、再び、第一の磁界を熱プラズマに印加する。このように、第一の磁界と第二の磁界とを交互に熱プラズマに印加する（Ｓ２０１〜Ｓ２０４の繰り返し処理Ａ）。
【００３７】
繰り返し処理Ａにおいて、試料表面温度を所定範囲内に維持するように、第一の磁界及び第二の磁界の大きさと、第一の磁界及び第二の磁界を印加する時間とを制御する。試料表面温度の所定範囲は、例えば、４００℃〜１０３０℃とする。より好ましくは、７００℃〜１０３０℃とする。さらに好ましくは、９７０℃〜１０３０℃とする。
【００３８】
また、繰り返し処理Ａにおいて、熱プラズマの発光スペクトルに含まれる所定の波長成分が第一の磁界を印加する期間と第二の磁界を印加する期間とで所定値以上異なるように制御する。ここで、所定の波長成分とは、例えば、Ｈ原子の輝線（Ｈα線）に対応する波長成分、または、Ｃ２分子の輝線に対応する波長成分である。
【００３９】
そして、一定時間経過後にコイル１０１への電流の印加を停止する。なお、電流の印加を停止する条件としては、他の条件もありうる。
【００４０】
以上で表面処理が終了する。
【００４１】
図３は、本発明の一態様に係る表面処理装置のコイル電流の変化を示す図である。図３を参照してコイル１０１に印加される電流についてさらに詳しく説明する。
【００４２】
図３に示されるように、コイル１０１に印加される電流は、周期が１マイクロ秒から１００マイクロ秒程度の高周波電流であって、１ミリ秒から１００ミリ秒の矩形波振幅変調が与えられたものとなる。ここで、コイル電流の電流振幅の高値（第一の振幅と第二の振幅とのうちの高い方）をＨＣＬ（High Current Level）と定義する。また、コイル電流の電流振幅の低値（第一の振幅と第二の振幅とのうちの低い方）を、ＬＣＬ（Low Current Level）と定義する。さらに、変調一周期の中でコイル電流の振幅がＨＣＬである期間を「オン時間」、その状態を「オン状態」と定義する。コイル電流の振幅がＬＣＬである期間を「オフ時間」、その状態を「オフ状態」と定義する。パラメータＨＣＬ、ＬＣＬ、オン時間及びオフ時間は、互いに独立に設定可能である。電流振幅の比ＬＣＬ／ＨＣＬを電流変調率ＳＣＬ（Shimmer Current Level）と定義し、電流変調度合いを示す指標とする。
【００４３】
図３に示されるような電流を印加される熱プラズマを、変調高周波誘導熱プラズマと定義する。
【００４４】
ここで、従来の高周波誘導熱プラズマと、本発明の一態様に係る表面処理装置が発生させる変調高周波誘導熱プラズマとの相違点について説明する。従来の高周波誘導熱プラズマの一例では、コイルに一定の振幅の交流電流が印加される。つまり、従来の高周波熱プラズマは、本発明の一態様に係る表面処理装置が発生させる変調高周波誘導熱プラズマにおいて、ＳＣＬ＝１００％の条件でコイルに交流電流を印加するものに相当する。本発明の一態様に係る表面処理装置は、ＳＣＬを１００％より小さくすることで、従来と異なる効果を発揮する。
【００４５】
ここで、特許文献１に示される技術により発生される熱プラズマとは、印加される電流及び磁場が異なる。すなわち、特許文献１に示される技術により発生される熱プラズマでは、一定周期で電流のオン（０より大きい所定の振幅）とオフ（電流値０）とを繰り返す。本発明の一態様に係る表面処理発生装置では、電流値を０とすることはなく、電流値の振幅を交互に、ＨＣＬとＬＣＬとに設定する。
【００４６】
また、特許文献２に示される技術により発生される熱プラズマとは、熱プラズマの温度が異なる。すなわち、特許文献２に示される技術により発生される熱プラズマでは、２種類の振幅のうち大きい振幅の交流電流を印加される期間で高温となり、小さい振幅の交流電流を印加される期間で低温となる。本発明の一態様に係る表面処理発生装置が発生させる変調高周波誘導熱プラズマは、試料表面の温度を所定温度範囲内に維持するように制御される。
【００４７】
次に、表面処理装置１００によって試料上に炭素膜を生成する装置、その方法、及び、試料について説明する。
【００４８】
図４は、本実施の形態に係る炭素膜生成装置４００の一例の概観図である。なお、図４の一部には、炭素膜生成装置４００の断面が示される。
【００４９】
図４に示される炭素膜生成装置４００は、表面処理装置１００と、試料ホルダ４０２と、反応容器４０３とを備える。
【００５０】
試料ホルダ４０２は、当該試料ホルダ４０２の上に試料４０１を載せるための台である。試料ホルダ４０２は、コイル１０１の下２００ｍｍの位置に設置される。試料ホルダ４０２は、炭素膜生成装置の径方向への移動が可能である。また、試料ホルダ４０２は、水冷式である。試料は、例えば、２５ｍｍ×２５ｍｍのＳｉ（シリコン）基板である。
【００５１】
反応容器４０３は、表面処理装置１００の下部に連結される。反応容器４０３の内部に、試料ホルダ４０２が配置される。
【００５２】
試料は、以下のような処理が施されたものであってもよい。すなわち、鏡面状態のシリコンウェハーに対して、ダイヤモンドパウダーを用いた傷つけ処理が行われてもよい。具体的には、シリコンウェハーに対して、粒子径２０〜３０μｍのダイヤモンドパウダーを含むエタノール中での約１時間の超音波洗浄による傷つけ工程と、エタノール中での３分間の超音波洗浄によるダイヤモンドパウダーの除去工程と、窒素ブローによる基板乾燥工程とを順に施したものでもよい。
【００５３】
次に、炭素膜生成装置４００における炭素膜生成方法について説明する。
【００５４】
当該炭素膜生成方法は、所定のガス流量で石英管１１１の中にガスを導入した上で、図２に示される表面処理方法と同一の手順で行われる。
【００５５】
石英管１１１の中に導入されるガスは、主成分ガスとしてＡｒ、付加ガスとしてＣＨ４とＨ２との混合ガスを含む。Ａｒガスは、石英管１１１の上部より導入される（図４における４１１）。また、Ｈ２ガス及びＣＨ４ガスは、表面処理装置の中心部分へプローブ４１３を通して導入される。各ガス流量はＡｒガスを６７slpm、ＣＨ４ガスを０．０３slpm、Ｈ２ガスを３slpmとする。ガス総流量は７０slpmとなるように設定する。Ｈ２を導入する目的は、水素が還元作用を有し、グラファイトのような弱い結合を化学的にスパッタリングさせていくためである。チャンバー内圧力は２３０torrで一定とする。
【００５６】
次に、基板温度及び電力条件について説明する。プラズマ照射中の試料の表面温度を、試料の中心部において９８０℃となるように、図３に示される矩形波振幅変調されたコイル電流がコイル１０１に印加される。コイル１０１に与えられる電力は、１４．５ｋＷである。変調周期はオン時間を１０ミリ秒、オフ時間を５ミリ秒とする。ＳＣＬは４０％とする。プラズマ照射時間は６時間とする。
【００５７】
次に、試料ホルダ３０２を径方向に移動させ、試料を表面処理装置の真下の位置に移動させる。これにより、試料に設定条件の熱プラズマが照射され始める。
【００５８】
次に、炭素膜生成装置４００により生成される炭素膜について説明する。
【００５９】
図５は、試料上に生成された炭素膜の一例を示す図である。図５の（ａ）は、無変調（ＳＣＬ１００％）で１５ｋＷの電力をコイル１０１に印加した結果の一例である。図５の（ｂ）は、無変調で９．３ｋＷの電力をコイル１０１に印加した結果の一例である。図５の（ｃ）は、ＳＣＬ４０％でパルス変調した交流電流で１４．５ｋＷの電力をコイル１０１に印加した結果の一例である。
【００６０】
図５の（ａ）は、１５ｋＷと比較的電力が大きい無変調の電流で誘導された熱プラズマが試料に熱的なダメージを与え、試料の一部が溶融した例である。図５の（ｂ）は、試料の溶融を回避するために振幅を小さくした例である。この条件においても、無変調の電流で誘導された熱プラズマが、基板の一部に熱的なダメージを与えた結果、表面にムラが生じた例である。図５の（ｃ）は、本発明に係る変調高周波誘導熱プラズマ（ＳＣＬ４０％）によって、条件（ａ）と同等の高い電力（１４．５ｋＷ）をコイル１０１に印加したにもかかわらず、試料が溶融することなく、試料上に均一に炭素膜が生成された例である。
【００６１】
次に、炭素膜生成装置４００による炭素膜生成を施された試料表面の原子組成について説明する。
【００６２】
図６は、本実施の形態に係る炭素膜生成方法を施した試料表面のラマン分光測定結果の一例である。図６のグラフ（ｄ）は、条件（ｂ）及び条件（ｃ）のそれぞれの炭素膜生成方法を施した後の、試料面上の位置Ａ（基板中心付近）におけるラマン分光測定結果である。同様に、図６のグラフ（ｅ）は、条件（ｂ）及び条件（ｃ）のそれぞれの炭素膜生成方法を施した後の、試料表面上の位置Ｂにおけるラマン分光測定結果である。
【００６３】
位置Ａにおける測定では、条件（ｂ）では５２０ｃｍ−１にスペクトルピークがある。これは試料のＳｉに由来するものである。また、１３３４ｃｍ−１のスペクトルピークは、結晶がダイヤモンド構造を有していることを示す。１５８０ｃｍ−１近辺のＧ−ｂａｎｄは、多量のグラファイトが堆積していることを示している。一方、条件（ｃ）では、Ｓｉ及びグラファイトに起因するピークは非常に小さく、急峻な１３２８ｃｍ−１のピークのみが観測される。
【００６４】
次に、位置Ｂにおける測定では、条件（ｂ）ではＳｉに由来するピークのみが観測され、炭素膜がほとんど観測されない。位置Ａ（基板中心）における測定結果とは異なっており、生成した膜質に差異がみられる。一方、条件（ｃ）では基板中心とほぼ同形のラマンスペクトルが得られ、無変調条件と比べ、より広範囲に均質な膜が生成できていることが確認される。
【００６５】
次に、炭素膜生成装置４００内の熱プラズマのガス組成について説明する。
【００６６】
図７は、本実施の形態に係る炭素膜生成方法における熱プラズマ中のガス組成の一例である。図７に示されるガス組成は、炭素膜生成装置内に挿入されたクオーツキャピラリーにより、熱プラズマ中のガスを質量分析器に引き込むことによって取得されたガスにおいて、ガス粒子をイオン電流として測定することにより観測された。質量分析は、ＱＭＳ（Quadruple Mass Spectrometer、四重極型質量分析計）で行われた。m/z(m:mass、z:charge number)は０から５０の範囲で計測し、その走査速度は２秒とした。
【００６７】
図７の縦軸は対数表記でイオン電流、横軸はm/z(m:mass、z:charge number)を表している。図７に示されるように、無変調条件（ＳＣＬ１００％）と比較して、変調高周波誘導熱プラズマ（ＳＣＬ４０％）では、Ｈ、Ｈ２、Ｃ、ＣＨ、Ｃ２、Ｃ２ＨまたはＣ２Ｈ２のような反応性の高いラジカル種が顕著に増加した。変調の効果により、Ｃ同士が気相中でなんらかの結合状態をとった上で基板に到達することが、炭素膜の基礎となる核の発生数や堆積速度の向上に寄与した可能性が高い。
【００６８】
また、本発明に係る表面処理方法において、オン時間とオフ時間との一周期の間に、熱プラズマの発光スペクトルの中に、Ｈ原子の輝線（Ｈα線）に対応する波長成分と、Ｃ２分子の輝線の対応する波長成分とが含まれることが観測された。また、各波長成分は、オン時間とオフ時間との一周期に同期して、周期的に強度が変化した。Ｈ原子の輝線に対応する波長成分が多く観測される期間には、試料のエッチングが進行したと考えられる。また、Ｃ２分子の輝線に対応する波長成分が多く観測される期間には、デポジションが進行したと考えられる。このことから、オン時間とオフ時間との一周期に対応した周期で、デポジションとエッチングとが交互に行われ、効率よく炭素膜の生成が行われた可能性が高い。
【００６９】
なお、オン時間からオフ時間への切替の際に、電流の振幅の切替が瞬時（例えば、１０マイクロ秒程度以内）に行われるようにすると、さらに炭素膜の生成を早めることができる。オン時間からオフ時間への切替の際に、電流の振幅の切替が瞬時に行われるようにすると、それに追従して熱プラズマに印加される電力が瞬時に変化し、熱プラズマの状態を瞬時に変化させることができるためであると考えられる。
【００７０】
なお、本発明の一態様に係る表面処理装置において、試料表面の温度を計測する温度センサを備えてもよい。温度センサを用いれば、試料表面の温度を計測し、その結果をコイル１０１に印加する交流電流の振幅値にフィードバックさせることができる。具体的には、試料表面の温度を上昇させたい場合にはコイル１０１に印加する交流電流の振幅値を大きくするように制御してもよいし、大きい振幅値の交流電流を印加する時間を増やすように制御してもよい。
【００７１】
なお、本発明の一態様に係る表面処理装置において、熱プラズマの発光スペクトルを計測する分光器を備えてもよい。分光器を用いて熱プラズマの発光スペクトルに含まれるＨ原子の輝線（Ｈα線）に対応する波長成分の強度を観測し、オン時間とオフ時間とで所定値以上異なるように制御してもよい。また、同様に、Ｃ２分子の輝線に対応する波長成分に対応する波長成分の強度を観測し、オン時間とオフ時間とで所定値以上異なるように制御してもよい。
【００７２】
なお、本実施の形態の炭素膜の一例は、ダイヤモンド膜、グラファイト膜、または、グラフェン膜である。
【００７３】
以上のように、変調高周波誘導熱プラズマを用いることによって、広範囲に均質な炭素膜が生成される。
【００７４】
以上より、本発明の一態様に係る表面処理方法によれば、試料の表面温度を、試料が熱的ダメージを受けない温度に維持される。また、熱プラズマ中の活性化学種（ラジカル）を増加させ、熱プラズマに印加される磁場の変化に同期して、効率よく表面処理を行うための２つの工程を交互に行うことができる。よって、被処理物に与える熱的ダメージを抑制するとともに、より高速に熱プラズマによる表面処理を行うことができる。
【００７５】
また、より適切な温度範囲、電流の振幅値の比率の範囲、または、エッチングとデポジションとの繰り返し周期の条件で、試料の表面処理を行うことができる。よって、被処理物に与える熱的ダメージを抑制するとともに、より高速に熱プラズマによる表面処理を行うことができる。
【００７６】
また、試料の表面処理の１つとして、シリコン基板への炭素膜の生成を行うことができる。つまり、被処理物に与える熱的ダメージを抑制するとともに、より高速に熱プラズマによる炭素膜生成を行うことができる。
【００７７】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２の構成について、図面を参照して詳細に説明する。
【００７８】
実施の形態２は、上述した実施の形態１における表面処理装置１００を用いて、試料に浸炭処理を施す浸炭処理装置及び浸炭処理方法の例を示す。
【００７９】
図８は、本実施の形態に係る浸炭処理装置８００の一例の概観図である。なお、図８の一部には、浸炭処理装置８００の断面が示される。
【００８０】
図８に示される浸炭処理装置８００は、表面処理装置１００と、試料ホルダ８０２と、反応容器８０３とを備える。
【００８１】
試料ホルダ８０２は、当該試料ホルダ８０２の上に試料８０１を載せるための台である。試料ホルダ８０２は、コイル１０１の下２００ｍｍの位置に設置される。試料ホルダ８０２は、浸炭処理装置の径方向への移動が可能である。また、試料ホルダ８０２は、水冷式であり、試料を冷却する。試料は、例えば、底面が直径１５ｍｍの円である円柱形状のＴｉ（チタン）である。
【００８２】
反応容器８０３は、表面処理装置１００の下部に連結される。反応容器８０３の内部に、試料ホルダ８０２が配置される。
【００８３】
次に、浸炭処理装置８００における浸炭処理方法について説明する。
【００８４】
当該浸炭処理方法は、所定のガス流量で石英管１１１の中にガスを導入した上で、図２に示される表面処理方法と同一の手順で行われる。
【００８５】
石英管１１１の中に導入されるガス組成について説明する。石英管１１１の中にＡｒガスを流量９６slpmで、プラズマトーチ下流部からＣＨ４を流量１slpmで、Ｈ２を流量３slpmでそれぞれ導入する。浸炭処理装置内の圧力は、２３０torrで一定とする。
【００８６】
当該浸炭処理方法での基板温度及び電力条件は、実施の形態１に係る炭素膜生成方法における基板温度及び電力条件と同様である。
【００８７】
次に、浸炭処理装置８００により浸炭処理された試料について説明する。
【００８８】
図９は、浸炭処理を施された試料の一例を示す図である。
【００８９】
図９の（ａ）は、無変調（ＳＣＬ１００％）で交流電流をコイル１０１に印加した結果の一例である。図９の（ｂ）は、ＳＣＬ７８％でパルス変調した交流電流をコイル１０１に印加した結果の一例である。図９の（ｃ）は、ＳＣＬ５６％でパルス変調した交流電流をコイル１０１に印加した結果の一例である。
【００９０】
図９の（ａ）は、無変調の電流で誘導された熱プラズマが試料に熱的なダメージを与え、試料の表面に熱的ダメージを与えた例である。このとき、浸炭処理が行われたことは確認されない。図９の（ｂ）は、変調高周波誘導熱プラズマ（ＳＣＬ７６％）により、試料に部分的に浸炭処理が施された例である。図９の（ｃ）は、変調高周波誘導熱プラズマ（ＳＣＬ５６％）により、試料上に均一に浸炭処理が施された例である。
【００９１】
熱プラズマを試料に照射すると、照射開始後６０s程度まで温度が上昇し、その後ほぼ一定最大値をとる（図１０の（ａ））。温度の一定最大値とＳＣＬとの関係の一例を図１０の（ｂ）に示す。
【００９２】
図１０の（ｂ）は、熱プラズマの照射中における試料表面温度の一定最大値とＳＣＬとの関係を示す。ＳＣＬの１００％から３９％までの範囲において、ＳＣＬを低下させると、試料表面温度が低下する。よって、試料への熱的ダメージが低減できる。
【００９３】
図１１の（ａ）は、熱プラズマ照射後の試料のＸＲＤ（X-Ray Diffraction、Ｘ線回折解析）分析結果の一例を示す。ＳＣＬ１００％の場合、２θ＝４０．１５１°のＴｉに対応するＸＲＤピークのみが観測される。すなわち、無変調熱プラズマの照射では浸炭処理が行われない。一方、５６％ＳＣＬ及び７８％ＳＣＬの変調熱プラズマを照射した場合には、２θ＝３５．９０６°及び４１．７１０°のＴｉＣに対応するＸＲＤピークが観測される。特に、７８％ＳＣＬでは他のＳＣＬ条件の場合と比べて２θ＝３５．９０６°のピーク値が大きい。このことから、ＴｉＣが試料の内部の深い部分にまで生成していると推測される。以上から、変調熱プラズマを用いれば無変調熱プラズマを用いた場合より試料への熱的ダメージを低減させ、浸炭処理の促進効果もある可能性がある。
【００９４】
なお、本実施の形態における浸炭処理は、試料に炭素（Ｃ）を添加する処理であるが、炭素の代わりに、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、または、フッ素（Ｆ）などを添加する処理に本方法を応用することも可能である。
【００９５】
以上より、本発明の一態様に係る表面処理方法によれば、試料の表面処理の１つとして、チタンの浸炭処理を行うことができる。つまり、被処理物に与える熱的ダメージを抑制するとともに、より高速に熱プラズマによる浸炭処理を行うことができる。
【００９６】
以上、本発明の部品実装方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
被処理物に与える熱的ダメージを抑制するとともに、被処理物に与える熱的ダメージを抑制するとともに、より高速に熱プラズマによる表面処理を行う表面処理方法を提供することができる。
【符号の説明】
【００９８】
１００          表面処理装置
１０１          コイル
１０２          電流制御部
１１１、１１２  石英管
１１３          熱プラズマ発生空間
４００          炭素膜生成装置
４０１、８０１  試料
４０２、８０２  試料ホルダ
４０３、８０３  反応容器
８００          浸炭処理装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図５】
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【図６】
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【図９】
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