(57)【要約】【課題】円筒状内部等へのプラズマ処理にあたって、簡素にかつ詳細にプラズマ状態を計測する方法とそれに用いる電流計測器を提供する。【解決手段】基材１の内表面から外表面に通ずるように荷電粒子を取り込むための孔４と、該孔からプラズマ中の荷電粒子が入射するプローブ５と、該孔より取り込んだプラズマ２中の荷電粒子が入射する前記プローブ５に電圧を印加する直流電源６を設け、該プローブ５に電圧を印加したときに該プローブ５に流れる電流を電流計７で計測し、前記プローブ５に印加する電圧と前記プローブに流れる電流との関係から、荷電粒子による電流量および荷電粒子のプローブへの入射角θを計測することを特徴とするプラズマ状態計測方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空プラズマで処理する内表面を有する基材の該内表面におけるプラズマ状態を測定する方法であって、該基材の内表面から外表面に通ずるように荷電粒子を取り込むための孔と、該孔からプラズマ中の荷電粒子が入射するプローブと、該孔より取り込んだプラズマ中の荷電粒子が入射する前記プローブに電圧を印加する電源を設け、該プローブに電圧を印加したときに該プローブに流れる電流を計測し、前記プローブに印加する電圧と前記プローブに流れる電流との関係から、荷電粒子による電流量および荷電粒子のプローブへの入射角度を計測することを特徴とするプラズマ状態計測方法。
【請求項２】
前記基材が実用部品と略同一形状のダミー部品である請求項１に記載のプラズマ状態計測方法。
【請求項３】
前記基材内表面を有する基材が円筒状であることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ状態計測方法。
【請求項４】
前記基材のプラズマ状態計測の対象が複数の物品が接近配置したものであり、相隣合う面内のプラズマであることを特徴とする請求項１乃至３に記載のプラズマ状態計測方法。
【請求項５】
請求項１乃至４に記載の前記プラズマ状態計測方法を実施するものであって、前記孔を設けた基材と前記プローブと前記プローブに電圧を印加する電源と前記プローブに電圧を印加したときに前記プローブに流れる電流を計測する電流計とを具備する電流計測器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを応用した成膜、イオン注入、表面清浄化、等々の基材の表面処理において、基材表面における荷電粒子の電流計測に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
円筒状の基材などにプラズマを用いた成膜処理については、例えば、Nuclear Instruments and Methods in physics Research B 206 (2003) 813-816に円筒内面をリング状プローブによってプラズマ密度分布を測定した結果が記載されており、蒸発源から離れた円筒深部になるに従って、プラズマ密度が小さくなっている。このことは円筒内面などを成膜処理する場合、円筒深部にはプラズマが入りにくく、したがって円筒深部へのイオン照射が不十分あったり、あるいは全くできなくなったりしていることを表している。そのため、エッチング不足で基材表面の清浄化が不良となり、その後成膜した膜の密着性が悪くなったり、膜厚均一性が悪くなったりするなどが問題である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Nuclear Instruments and Methods in physicsResearch B 206 (2003) 813-816
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記問題点を解決するためには、その前に円筒内部のような内表面を有する基材の該内表面におけるプラズマ状態を把握することが必要である。本発明は上記プラズマ状態、（より正確には円筒内部のプラズマ密度分布の状態）を簡素にかつ詳細に把握することのできる、成膜処理などの真空処理におけるプラズマ状態計測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】
【０００５】
本発明は真空プラズマによって処理する円筒内部のような内表面を有する基材の該内表面におけるプラズマ状態を測定する方法であり、真空プラズマで処理する内表面を有する基材の該内表面におけるプラズマ状態を測定する方法であって、該基材の内表面から外表面に通ずるように荷電粒子を取り込むための孔と、該孔からプラズマ中の荷電粒子が入射するプローブと、該孔より取り込んだプラズマ中の荷電粒子が入射する前記プローブに電圧を印加する電源を設け、該プローブに電圧を印加したときに該プローブに流れる電流を計測し、前記プローブに印加する電圧と前記プローブに流れる電流との関係から、荷電粒子による電流量および荷電粒子のプローブへの入射角度を計測することを特徴としている。
【０００６】
また、前記内表面を有する基材が円筒状であることを特徴としている。
【０００７】
また、本発明は前記基材のプラズマ状態計測の対象が真空チャンバー内で複数の基材が接近配置したものであり、相隣合う面内のプラズマであることを特徴としている。
【０００８】
ここで、本願では「内表面」という場合は単に基材の内表面だけを指すのではなく、基材が密集して置かれた場合には基材の外表面も内表面と呼ぶことにする。
【０００９】
また、本発明では、基材としては、実用部品に限らず、実用部品と略同形状のダミー部材、特に実用部品と略同形状の内表面を持つダミー部材を用いてもよい。
【００１０】
さらに、本発明は前記プラズマ状態計測方法を実施するものであって、前記孔を設けた基材と前記プローブと前記プローブに電圧を印加する電源と電圧を印加したときに前記プローブに流れる電流を計測する電流計とを具備する電流計測器も特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
プラズマ状態を簡素にかつ詳細に把握することのできる、成膜処理などの真空処理におけるプラズマ状態計測方法を提供でき、これにより、種々の処理の条件を変化させることによって電流量および入射角が一定の範囲内になるようにすれば、良好なイオン照射、表面清浄化、成膜、などの処理を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に用いる装置構成の概略図である。
【図２】(A),(B)は本発明の他の実施形態に用いる装置構成の概略図である。
【図３】(A),(B)は本発明を実施できる基材形態の例の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の一の実施形態を図１に従って説明する。図示しないが、真空チャンバー内に円筒状の基材１を置き、アルゴンガスを導入し、熱フィラメントをカソードとした電子衝撃型アーク放電を起こすと、チャンバー内にはアルゴンのプラズマ２が生成する。生成したプラズマ２に正の電圧を印加すると、チャンバー内に設置し、アース電位（ゼロボルト）にした円筒状の基材１の内部に、ある一定の深さまでプラズマ２が入り込む。プラズマ２と基材１の間には、プラズマ密度や印加電圧、等々の条件によって、ある厚さのイオンシースが形成される。プラズマ２中のイオン３はこのイオンシースにおける電界によって引き出され、基材１の内面に照射される。基材１の内外表面に通じる孔４があり、基材内表面に照射されたイオン３の一部はこの孔４を通過し、基材内表面と平行に設置された比較的大きな平板状のプローブ５に入射し、最終的には電流計７によって電流量が計測される。
【００１４】
この時、直流電源６によってプローブ５に正の電圧を印加していく。すると、イオン３は、基材１の軸方向（図１では紙面上方向）速度成分は変化せず、孔４の中心線方向の速度成分が減速されながらプローブ５に入射する。この間、プローブ５に流れる電流はほぼ一定であるが、プローブ５に印加する電圧を一定の割合で高くしていくと、ある電圧を閾値として電流が流れなくなる。これはイオン３による孔４の中心線８方向の速度成分が減速され、プローブ５に入射する前にゼロになり、その後はプローブ５とは反対方向に加速されていくからである。したがって、閾値電圧によって減速されたエネルギーは、イオン３の持っているエネルギーの孔４の中心線８方向成分と等しくなる。
【００１５】
なお基材１及びプローブ５はプラズマ防壁部材９で囲っており、円筒状外表面に生成されるプラズマがプローブに影響することを防ぐことが必要である。
【００１６】
ここで、イオンの質量をm、速さをv、電荷をQ、加速電圧をVとすると、（１）次式が成り立つ。
【数１】
2011243395.tif 000003
【００１７】
また、イオンの速度の孔６の中心線方向成分をvx、上記閾値電圧をVxとすると、（２）式が成り立つ。
【数２】
2011243395.tif 000004
【００１８】
すると、イオンの基材内表面への入射角θは（１）（２）式より、（３）式のようになる。
【数３】
2011243395.tif 000005
【００１９】
イオンの速さ、エネルギーにおける基材内表面への垂直入射成分、つまり孔４の中心線８方向分vx、Exはそれぞれ（４）（５）式のようになる。
【数４】
2011243395.tif 000006
【数５】
2011243395.tif 000007
【００２０】
したがって、（３）式を用いてイオンの基材内表面への入射角θを計測すれば、（４）（５）式を用いてイオンの速さ、エネルギーにおける基材内表面への垂直入射成分vx、Exをも求めることができる。
【００２１】
この場合、（４）式あるいは（５）式より、イオンの基材内表面への入射角θがほぼ垂直である場合は問題が少ないが、入射角が小さくなると、イオンの速さ、エネルギーにおける基材内表面への垂直入射成分vx、Exは小さくなり、この場合、アルゴンイオンによる表面エッチング量が減り、基材内表面の清浄化が不十分となり、その後における成膜プロセスによって形成した膜の基材への密着性が悪くなるという不具合が発生する。
【００２２】
そこで、イオンの入射角をより大きくするためにはプラズマを円筒内のより深い位置にまで導入する必要があり、その1つの方法として、プラズマ密度をより高くする方法がある。プラズマ密度を高くすることによって、プラズマは円筒内のより深い位置まで導入され、イオンの入射角を上述した方法によってモニターリングし、入射角が所定の範囲内に入るようにすれば、アルゴンイオンによる表面エッチング量が増え、基材内表面の清浄化が十分に行われ、その後における成膜プロセスによって形成した膜の基材への密着性が良好になるのである。
【００２３】
また、イオンの入射角は多少の分布を持っていることもあり、その場合、直流電源６によりプローブ５に電圧を印加していくと、ある電圧からプローブ５に流れる電流が減少し始め、その後印加電圧の上昇とともに電流が減少し、ある電圧以上では電流が流れなくなる。この場合の平均入射角の概算値は、プローブ電流量が半減するときの印加電圧を閾値電圧として、（３）式によって概ね計算することができる。また、より正確には、プローブにおける電圧（横軸）−電流（縦軸）曲線から電流の電圧微分値を求め、これから電圧（横軸）−電流の電圧微分値の絶対値（縦軸）曲線を求め、そのピーク値を与える電圧を閾値電圧として、（６）式によって計算することができる。
【００２４】
図１では、プローブ５を基材内表面に対して平行に配置しているが、これはそれに限らず、例えば、垂直に配置してもイオンの入射角を計測することは可能であるし、あるいは一定の角度に配置してもよい。
【００２５】
次に本発明の他の実施形態を図２(A),(B)に従って説明する。なお、図２(A)において図１と同様な部分は省略している。この場合、図２(A)に示すように、真空チャンバー内に基材を近接して配置してプラズマ処理をする場合、隣接する基材の被処理面の間隔が狭い場合である。この場合も、上述した円筒状の基材と同様に示すように、細部にはプラズマが全体に生成しない場合がある。この場合も図１と同様、図２(B)の基材１１a、１１ｂに示すように孔を設け、図１と同様にプラズマ状態を測定することができる。（この場合も上記したように細部表面を本願では内表面と称することにする。）
【００２６】
また、上記した二つの実施形態では基材として円筒状内面および真空チャンバーに複数基材を近接配置した場合に処理面が細部となる基材表面について説明を行った。
【００２７】
ここで、円筒状は、断面が円形、四角形、六角形あるいは楕円形状など、どのような断面形状を持つ基材内表面であってもよい。
【００２８】
また、基材は図３の(A)、（B）に示すように、L字型アングル状基材内表面、あるいはもっとシャープな形状の基材内表面に処理するものであってもよい。本発明の範囲は、これら基材の細部などにおいて各種表面処理を正常に実施するためのプラズマ計測を行う全てを含むことは言うまでもないことである。
【００２９】
また、基材によっては、イオンを取り込む孔は複数あっても良く、複数箇所で本発明の方法を実施してもよいことは勿論のことである。
【００３０】
なお、以上の実施形態で「基材」と称するものは実際に処理する製品（実用部品）であってもよいし、実際に処理する製品と略同形状の部材（ダミー部品）、特に製品と略同形状の内表面を持つ部材を作製しそれを用いてもよいことは前記したとおりである。
【００３１】
また、前記実施形態では直流電源によりプローブに直流電圧を印加した場合について記したが、電圧は階段状に印加してもよいし、のこぎり波状に印加してもよい。
【００３２】
なお、本発明の方法を用いれば基材内表面にイオン注入を行い、その後の成膜によって形成した膜の基材への密着性を高くするような場合も同様であり、イオンの注入角度が小さくなると、基材へのイオンの注入深さが浅くなり、十分な密着性を得ることが困難となる場合がある。このような場合も上記同様にイオンの入射角のモニターリングを実施し、イオンの入射角が所定範囲内になるように処理条件を決めることに利用できる。
【００３３】
基材内表面に成膜を行う場合でも、イオンの入射角が小さくなると、結晶の配向性が異なってくるなど膜質の変化を生じ、不具合を生じる場合がある。したがって、このような場合も上記同様にイオンの入射角のモニターリングを実施し、イオンの入射角が所定範囲内になるように処理条件を決めることに利用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、プラズマ状態（イオンの速さ、エネルギーにおける基材内表面への垂直入射角）を把握することができ、成膜処理などの真空処理におけるプラズマ密度状態計測方法を提供でき、これにより、種々の処理の条件を変化させることによって電流量および入射角が一定の範囲内になるようにすれば、良好なイオン照射、表面清浄化、成膜などの処理を行うことができる真空処理に利用できる。
【符号の説明】
【００３５】
１、１１，１１a、１１ｂ、１２、１３  基材
２  プラズマ
３  イオン
４  孔
５  プローブ
６  直流電源
７  電流計
８  孔径の中心線
９  プラズマ防壁部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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