(57)【要約】【課題】本発明はプラズマのイオン化率を安価に計測でき、プラズマを用いた表面処理の生産性、効率性の向上を図ることができるイオン化率計測方法および装置を提供する。【解決手段】異なる計測用基材１０に略プラズマ電位以下、プラズマ電位よりも大きい電圧をそれぞれ印加し、かつ、シールド１３にプラズマ電位よりも低い電位となる電圧を印加することにより、各計測用基材１０上に堆積した膜の膜厚を用いてプラズマ５のイオン化率を算出する。【選択図】図１
2013258053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを用いた表面処理におけるイオン化率計測方法であって、
前記表面処理を行う表面処理装置の内部に複数の計測用基材と、
前記複数の計測用基材とプラズマとの間に開口部を有するシールドとを設け、
前記複数の計測用基材は、略プラズマ電位以下の電位となる電圧を印加する第一の計測用基材と、プラズマ電位よりも高い電位となる電圧を印加する第二の計測用基材とを含み、
前記シールドにプラズマ電位よりも低い電位となる電圧を印加し、
前記第一の計測用基材および前記第二の計測用基材にプラズマを用いた表面処理を行うことで該各計測用基材上に堆積した膜の膜厚を用いてプラズマのイオン化率を算出する、イオン化率計測方法。
【請求項２】
前記第一の計測用基材および前記第二の計測用基材に行うプラズマを用いた表面処理を順次別々に行う、請求項１に記載のイオン化率計測方法。
【請求項３】
前記第一の計測用基材に印加する電圧の略プラズマ電位以下の電位は、プラズマよりも０〜１００Ｖ低い電位である、請求項１または２に記載のイオン化率計測方法。
【請求項４】
前記第二の計測用基材に印加する電圧のプラズマ電位よりも高い電位は、プラズマよりも５０Ｖ以上高い電位である、請求項１〜３のいずれかに記載のイオン化率計測方法。
【請求項５】
前記シールドに印加する電圧のプラズマ電位よりも低い電位は、プラズマよりも１０Ｖ以上低い電位である、請求項１〜４のいずれかに記載のイオン化率計測方法。
【請求項６】
前記表面処理装置が真空アーク蒸着装置である、請求項１〜５のいずれかに記載のイオン化率計測方法。
【請求項７】
プラズマを用いた表面処理におけるイオン化率計測装置であって、
前記表面処理を行う表面処理装置の内部に設けた計測用基材ホルダーと、
前記計測用基材ホルダーに配設された計測用基材と、
前記計測用基材とプラズマとの間に設けられた開口部を有するシールドと、
前記計測用基材に略プラズマ電位以下の電位となる電圧およびプラズマ電位よりも高い電位となる電圧を印加可能な電源と、
前記シールドにプラズマ電位よりも低い電位となる電圧を印加可能な電源と、
を備える、イオン化率計測装置。
【請求項８】
前記計測用基材ホルダーは、該計測用基材ホルダーの周囲に前記計測用基材を複数有し、前記複数の計測用基材がそれぞれ同じ回転軌道で回転可能な回転機構を備える、請求項７に記載のイオン化率計測装置。
【請求項９】
前記計測用基材ホルダーは、二つの計測用基材ホルダーが併設されてなり、各計測用基材ホルダーの少なくとも一つとプラズマとの間にシャッターを更に備える、請求項７に記載のイオン化率計測装置。
【請求項１０】
前記イオン化率計測装置において、計測用基材に堆積した膜の膜厚を表面処理中または表面処理後に計測可能な膜厚計を更に備える、請求項７〜９のいずれかに記載のイオン化率計測装置。
【請求項１１】
前記表面処理装置が真空アーク蒸着装置である、請求項７〜１０のいずれかに記載のイオン化率計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマを用いて基材に膜形成、エッチング等の表面処理を施すにあたり、所望の目的とする表面処理を施すために、プラズマの状態を示すパラメータの一つであるイオン化率を計測する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマを応用した表面処理においては、例えば、プラズマＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法、真空アーク蒸着法等があり、これらは工具、金型、摺動部品、電子部品等の皮膜の成膜に利用されている。
【０００３】
中でも、真空アーク蒸着法は、陽極と陰極の間にアーク放電を生じさせ、そのアーク放電によって蒸発させた陰極材料を基材に蒸着するという成膜方法であり、プラズマ密度が高いだけでなくイオン化率が極めて高い。したがって、真空アーク蒸着法では膜応力の制御がし易く、また、基材と所望の膜との間の界面に混合層を有効に形成することによって膜密着性の高い膜形成が可能となる。
【０００４】
しかし、真空アーク蒸着法では、アーク放電によってプラズマを発生させる際に、イオンや電子の他に陰極からパーティクル（あるいは、マクロパーティクル）と呼ばれる数ミクロン以上の巨大粒子が好適に発生する。そして、このパーティクルが基材に付着あるいは混入すると、膜自体の特性の低下や、膜密着性の低下を引き起こすことが知られている。
【０００５】
このパーティクルは、アーク放電電流を大きくすると粒子径が大きくなり、発生数が増大する。したがって、パーティクルの発生が許容されない膜の適用分野においては、アーク放電電流をある一定値以下にする必要がある。
【０００６】
その一方で、アーク放電電流を小さくし過ぎると、プラズマのイオン化率が低くなる。そうすると、膜応力の制御が困難になるとともに、基材と膜との界面に混合層を有効に形成することができなくなって膜密着性の高い膜形成ができなくなるという問題が生じる。つまり、膜応力の制御性・膜密着性とパーティクルの発生とは、アーク放電電流の大きさによってトレードオフの関係にあるといえる。
【０００７】
したがって、これらの問題を生じないようにするためには、プラズマのイオン化率をモニタリングして、所望の膜応力の制御性・膜密着性が得られるイオン化率になるように、アーク放電電流を設定することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】２０１１−０６０８５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここで、プラズマを用いた従来の表面処理装置では、文献１に示す例ようにラングミュアプローブを用いてプラズマの状態を計測することが一般的である。このラングミュアプローブによれば、電子温度やプラズマ密度等のプラズマパラメータを計測することができるものの、プラズマ中の中性粒子を検出することができず、したがって、イオン化率を計測することはできない。また、その他のプラズマの状態を計測する方法で、イオン化率を簡単に計測する方法はほとんど知られていない。
【００１０】
このような事情から、プラズマを用いた従来の表面処理装置ではイオン化率を把握することができず、異常原因等によりイオン化率が低下して表面処理に支障が出ている場合でも、そのまま表面処理を続けることになる。その結果、不良の表面処理品が増え、膨大な損失を生むことにつながる。
【００１１】
そこで、本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明はプラズマのイオン化率を簡単に計測でき、プラズマを用いた表面処理の生産性、効率性の向上を図ることができるイオン化率計測方法を提供することを第一の課題とする。
【００１２】
また、本発明はプラズマのイオン化率を簡単に計測でき、プラズマを用いた表面処理の生産性、効率性の向上を図ることができるイオン化率計測装置を提供することを第二の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のイオン化率計測方法は、上記第一の課題を解決するために、プラズマを用いた表面処理におけるイオン化率計測方法であって、前記表面処理を行う表面処理装置の内部に複数の計測用基材と、前記複数の計測用基材とプラズマとの間に開口部を有するシールドとを設け、前記複数の計測用基材は、略プラズマ電位以下の電位となる電圧を印加する第一の計測用基材と、プラズマ電位よりも高い電位となる電圧を印加する第二の計測用基材とを含み、前記シールドにプラズマ電位よりも低い電位となる電圧を印加し、前記第一の計測用基材および前記第二の計測用基材にプラズマを用いた表面処理を行うことで該各計測用基材上に堆積した膜の膜厚を用いてプラズマのイオン化率を算出することを特徴としている。
【００１４】
本発明によれば、プラズマを用いた表面処理によって二つの計測用基材に堆積した膜の膜厚、即ちプラズマ中のイオンと中性粒子の密度の合計値を反映した膜の膜厚ｔ−と、中性粒子の密度を反映した膜の膜厚ｔ＋を算出することができる。したがって、これらの値からプラズマのイオン化率を算出することができる。
【００１５】
また、前記第一の計測用基材および前記第二の計測用基材に行うプラズマを用いた表面処理を順次別々に行うことが好ましい。
【００１６】
また、前記第一の計測用基材に印加する電圧の略プラズマ電位以下の電位は、プラズマよりも０〜１００Ｖ低い電位であることが好ましい。
【００１７】
また、前記第二の計測用基材に印加する電圧のプラズマ電位よりも高い電位は、プラズマよりも５０Ｖ以上高い電位であることが好ましい。
【００１８】
また、前記シールドに印加する電圧のプラズマ電位よりも低い電位は、プラズマよりも１０Ｖ以上低い電位であることが好ましい。
【００１９】
本発明のイオン化率計測装置は、上記第二の課題を解決するために、プラズマを用いた表面処理におけるイオン化率計測装置であって、前記表面処理を行う表面処理装置の内部に設けた計測用基材ホルダーと、前記計測用基材ホルダーに配設された計測用基材と、
前記計測用基材とプラズマとの間に設けられた開口部を有するシールドと、前記計測用基材に略プラズマ電位以下の電位となる電圧およびプラズマ電位よりも高い電位となる電圧を印加可能な電源と、前記シールドにプラズマ電位よりも低い電位となる電圧を印加可能な電源と、を備えることを特徴としている。
【００２０】
前記計測用基材ホルダーは、該計測用基材ホルダーの周囲に前記計測用基材を複数有し、前記複数の計測用基材がそれぞれ同じ回転軌道で回転可能な回転機構を備えることが好ましい。
【００２１】
また、前記計測用基材ホルダーは、二つの計測用基材ホルダーが併設されてなり、各計測用基材ホルダーの少なくとも一つとプラズマとの間にシャッターを更に備えることが好ましい。
【００２２】
また、前記イオン化率計測装置において、計測用基材に堆積した膜の膜厚を表面処理中または表面処理後に計測可能な膜厚計を更に備えることが好ましい。
【００２３】
また、前記表面処理装置が真空アーク蒸着装置であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、プラズマを用いた表面処理について、プラズマのイオン化率を簡単かつ定量的に把握するイオン化率計測方法及び装置を提供することができる。したがって、プラズマのイオン化率を計測でき、例えば、真空アーク蒸着装置に本発明を適用するとことで、所望の膜応力の制御性・膜密着性が得られるイオン化率になるように、アーク放電電流を設定することが可能となる。ひいては、プラズマを用いた表面処理の生産性、効率性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による実施形態の一例を示す真空アーク蒸着装置の断面概念図である。
【図２】本発明による実施形態の一例を示し、真空アーク蒸着装置内部においてＡ方向からイオン化率計測装置を見たときの正面図である。
【図３】本発明による実施形態の一例を示し、真空アーク蒸着装置内部においてＡ方向からイオン化率計測装置を見たときの斜視図である。
【図４】本発明による実施形態の一例を示し、真空アーク蒸着装置内部におけるイオン化率計測装置の平面図であって、（Ａ）は計測用基材ホルダーが備える回転機構を作動させる前の状態、（Ｂ）は計測用基材ホルダーが備える回転機構を作動させた後の状態を示している。
【図５】本発明による実施形態の一例を示し、真空アーク蒸着装置内部におけるイオン化率計測装置の正面図であって、計測用基材ホルダーまわりの構成の変形例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
まず、本発明の実施形態によるイオン化率計測装置を備えた表面処理装置の構成について説明する。図１はイオン化率計測装置を備えた表面処理装置の例として、真空アーク蒸着装置を示している。図１を参照して、本発明の実施形態によるイオン化率計測装置１は、計測用基材１０と、計測用基材ホルダー１１と、電源１２，１４と、シールド１３とを備える。そして、イオン化率計測装置１は、真空アーク蒸着装置１００に設けられ、真空アーク蒸着装置１００は、イオン化率計測装置１と、真空チャンバー２と、陰極３と、基材支持装置４とを含む。基材支持装置４は、基材４０と、基材ホルダー４１とを備える。
【００２７】
イオン化率計測装置１では、計測用基材１０は計測用基材ホルダー１１に支持され、真空チャンバー２内に設置される。そして、計測用基材ホルダー１１は、真空チャンバー２外に設けられた電源１２に電気的に接続される。また、シールド１３は、真空チャンバー２内で計測用基材に近接して設置され、真空チャンバー２外に設けられた電源１４に電気的に接続される。電源１２，１４はそれぞれ接地される。計測用基材ホルダー１１と電源１２との間の配線と、シールド１３と電源１４との間の配線は、それぞれ真空フィードスルーによって真空チャンバー２の壁面を気密に通過できるようになっている。
【００２８】
真空チャンバー２は接地されるとともに、いずれも図示しない排気装置と表面処理用ガスの導入装置が設けられる。また、真空チャンバー２の内部の壁面には蒸発材料で構成された陰極３が設けられる。陰極３には図示しない放電電源が接続される。
【００２９】
また、真空チャンバー２内の陰極３に対向する位置には、回転可能な基材支持装置４が設けられる。基材支持装置４では複数の基材４０が基材ホルダー４１の周囲に配設される。基材ホルダー４１には、図示しないバイアス電源を設けて、このバイアス電源から基材４０に対してバイアス電圧を印加することができるようしてもよい。
【００３０】
次に、イオン化率計測装置１の構成の詳細について説明する。計測用基材１０は基材４０と同じ材質である必要はなく、導電性であればその材質は特に限定されないが、一例を挙げるとアルミニウムや銅を使用することができる。また、その形状は、詳細は後述する計測用基材１０上に堆積する膜の膜厚を精度よく計測するために、表面が平滑な板状であることが好ましい。
【００３１】
計測用基材ホルダー１１には、複数の計測用基材１０がその側面の周囲に配設される。そして、計測用基材ホルダー１１は、真空チャンバー２内において、計測用基材１０の一つが陰極３と対向する方向であるＡ方向に向くようにして設けられる。図１の例では計測用基材ホルダー１１を基材支持装置４の下方に設けているが、これに限定されず基材支持装置４の上方や側方に設けてもよい。また、計測用基材ホルダー１１は、その側面の周囲に配設された複数の計測用基材１０がそれぞれ同じ回転軌道で回転することのできる回転機構を備えている。
【００３２】
電源１２，１４には、例えば直流電源を用いることができる。
【００３３】
シールド１３は、プラズマ５中の電子を反射・除去するために用いられる。ここではシールド１３の構成について、更に図２，３を用いて説明する。図２は、真空アーク蒸着装置１００の内部においてＡ方向からイオン化率計測装置１を見たときの正面図であり、図２中の点線部は背後にある計測用基板ホルダー１１を表している。図３は、同じくＡ方向からイオン化率計測装置１を見たときの斜視図である。図２，３を参照して、シールド１３は、方形の金属板またはメッシュからなり、その中央部に方形の開口部１３ａを有している。そして、シールド１３は、その背後に配設された計測用基材ホルダー１１をプラズマ５から遮ることができるように計測用基材ホルダー１１よりも大きな寸法を有している。また、開口部１３ａでは、計測用基材ホルダー１１に配設された複数の計測用基板１０の内、陰極３と対向するものだけをプラズマ５から遮らずに露出するようになっている。なお、シールド１３と開口部１３ａの形状は方形に限定されず、その他円形や楕円形等であってもよい。
【００３４】
次に、本発明の実施形態によるイオン化率計測装置１の動作、即ちイオン化率計測方法について説明する。
【００３５】
図１を参照して、まず、イオン化率計測装置１に設けた複数の計測用基材１０の一つ（第一の計測用基材１０と称する。）に、電源１２からプラズマ５の略プラズマ電位以下の電位となる電圧を印加する。そして、シールド７に、電源１４からプラズマ５のプラズマ電位よりも低い電位となる電圧を印加する。プラズマ５のプラズマ電位は、予め例えばシングルプローブ法によって測定しておいてもよいし、後述する基材４０の表面処理中に測定してもよい。
【００３６】
また、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装置によって真空チャンバー２内を所定の真空度まで排気し、陰極３に放電電源から電流を流すことにより、真空チャンバー２と陰極３との間にアーク放電を開始させる。そうすると、陰極３において蒸発材料が蒸発し、真空チャンバー２内にプラズマ５が形成される。そして、基材４０と計測用基材１０の表面に蒸発材料が堆積することによって成膜が行われる。第一の計測用基材１０は、略プラズマ電位以下の電位となっているので、第一の計測用基材１０にプラズマ中のイオン(正イオン)と中性粒子が引き付けられる。したがって、第一の計測用基材１０には、イオンと中性粒子が堆積するので、イオンと中性粒子の密度の合計値を反映した膜を成膜することができる。
【００３７】
なお、このときに例えば陰極３をグラファイトとすれば、基材４０と計測用基材１０の表面にＤＬＣ（ダイアモンドライクカーボン）膜が形成されることになる。
【００３８】
また、計測用基材１０は計測用基材ホルダー１１の周囲に複数配設されているが、前述したようにシールド１３によって複数の計測用基板１０の内、陰極３と対向するものだけをプラズマ５に曝すことができる。したがって、複数の計測用基材１０の内、第一の計測用基材１０のみを選択的に成膜することができる。
【００３９】
プラズマ５の略プラズマ電位以下の電位となる電圧を印加した計測用基材１０の成膜を一定時間実施した後には、別の計測用基材１０（第二の計測用基材１０と称する。）に電源１２からプラズマ５のプラズマ電位よりも高い電位となる電圧を印加する。また、シールド７には、引き続きプラズマ５のプラズマ電位よりも低い電位となる電圧を印加する。第二の計測用基材１０は、プラズマ電位よりも高い電位となっているので、第二の計測用基材１０にプラズマ中の中性粒子が引き付けられる一方、イオン(正イオン)は電界によって反射する。したがって、第二の計測用基材１０にはイオンが堆積しないので、中性粒子の密度を反映した膜を成膜することができる。
【００４０】
なお、シールド７へのプラズマ５のプラズマ電位よりも低い電位となる電圧の印加は、第二の計測用基材に成膜する場合は必須であるが、第一の計測用基材に成膜する場合は省略することができる。
【００４１】
また、図４（Ａ）を参照して、成膜の対象を第一の計測用基材１０（α）から第二の計測用基材１０（β）に切り替えるには、計測用基材ホルダー１１の回転機構を作動させる。そして、計測用基材ホルダー１１を回転させることで各計測用基材１０を移動させ、図４（Ｂ）に示すように、第二の計測用基材１０（β）がシールド１３の開口部１３ａからプラズマに露出する位置で、計測用基材ホルダー１１の回転機構を止めればよい。そうすると、成膜の対象が切り替わって第一の計測用基材１０（α）は成膜されず、第二の計測用基材１０（β）のみが選択的に成膜されるようになる。なお、第一の計測用基材１０（α）と第二の計測用基材１０（β）を成膜する順序は入れ替わってもよいが、各計測用基材１０の成膜時間は同一とする。
【００４２】
ここで、イオン化率計測装置１における計測用基材ホルダー１１まわりの構成の変形例およびその動作について相違点を中心に説明する。また、一致点の説明は繰り返さない。図５を参照して、イオン化率計測装置１における計測用基材ホルダー１１まわりの構成の変形例は、計測用基材５０と計測用基材ホルダー５１と、電源５２と、シャッター５５とを備える。この変形例では、計測用基材５０をそれぞれ備えた二つの計測用基材ホルダー５１を各計測用基材５０がＡ方向に向くように真空チャンバー２内に並設し、各計測用基材５０のいずれかに電圧を印加可能な電源５２を各計測用基ホルダー５１に対してスイッチの切り替えにより接続可能としている。なお、各計測用基材５０は、前述した第一および第二の計測用基材１０に相当するものである。そして、シャッター５５が、計測用基材５０および計測用基材ホルダー５１のそれぞれをプラズマ５から遮る、または、プラズマ５に曝すことができるよう、上下にスライド可能に配設されている。図５ではシールド１３を省略しているが、シールド１３は各計測用基材ホルダー５１の内、少なくとも第二の計測用基材５０を備えた計測用基材ホルダー５１とプラズマ５との間に配設すればよい。なお、シャッター５５は、上下のスライドに限定されず、左右のスライドの他、複数のシャッターによって開閉するものを用いることもできる。
【００４３】
続いて、この変形例の動作について説明する。まず、第一の計測用基材５０前面のシャッター５５を開き、第二の計測用基材５０全面のシャッターを閉じる。そして、第一の計測用基材５０を備えた計測用基材ホルダー５１と電源５２とのスイッチの接続をＯＮし、第一の計測用基材５０に、プラズマ５の略プラズマ電位以下の電位となる電圧を印加して成膜を実施する。その成膜後、第一の計測用基材５０前面のシャッター５５を閉じ、第二の計測用基材５０全面のシャッターを開ける。そして、第二の計測用基材５０を備えた計測用基材ホルダー５１と電源５２とのスイッチの接続をＯＮに切り替え、第二の計測用基材５０に、プラズマ５のプラズマ電位よりも高い電位となる電圧を印加して成膜を実施する。このとき、第二の計測用基材５０とプラズマ５との間に配設されたシールド１３には、プラズマ５のプラズマ電位よりも低い電位となる電圧が印加されている。このようにして、この変形例では第一の計測用基材５０から第二の計測用基材５０に成膜対象を切り替えることができる。
【００４４】
次に、計測用基材１０とシールド１３に印加する電圧について説明する。まず、第一の計測用基材１０に印加する略プラズマ電位以下の電位で、その差分電圧を大きくし過ぎるとイオンのエネルギーが大きくなり過ぎ、堆積した膜がスパッタリングされることになる。したがって、その差分電圧は大きくても１００Ｖ程度、即ち、計測用基材１０に印加する略プラズマ電位以下の電位はプラズマよりも０〜１００Ｖ低い電位で、好ましくは０〜５０Ｖ低い電位となる。なお、堆積した膜がスパッタリングされるに至る電圧は、膜の材質やイオン種によって異なってくる。したがって、予め膜厚の電圧依存性を測定しておき、スパッタリングが起こらない、あるいはスパッタリングを無視できるくらいの電圧以下に設定すればよい。
【００４５】
そして、同様の理由により、第二の計測用基材１０に印加するプラズマ電位よりも高い電位は、プラズマよりも５０Ｖ以上高い電位で、好ましくは１００Ｖ以上高い電位となる。なお、この場合には、その差分電圧がイオンの有する運動エネルギー相当量よりも小さい場合は、イオンも成膜されてしまうことになるので、差分電圧はイオンの有する運動エネルギー相当量よりも大きな電圧を印加する必要がある。
【００４６】
また、図３に示すように、第二の計測用基材１０にプラズマ電位よりも高い電位となる電圧を印加すると、プラズマ中の電子が第二の計測用基材１０や計測基材ホルダー１１に流入しようとする。しかし、プラズマ電位よりも低い電位に設定されたシールド１３が、このプラズマ中の電子を反射するので、第二の計測用基材１０や計測基材ホルダー１１への電子の流入を防止することができる。したがって、シールド１３とプラズマ５の差分電圧は、プラズマ５中の電子が有する運動エネルギー相当量よりも大きな電圧を印加する必要がある。そうすると、シールド１３に印加するプラズマ電位よりも低い電位は、プラズマよりも１０Ｖ以上低い電位で、好ましくは５０Ｖ以上高い電位となる。
【００４７】
第一および第二の計測用基材１０の成膜が終了すれば、各計測用基材１０を真空チャンバー２内から取り出し、第一の計測用基材１０の表面に堆積した膜の膜厚ｔ−と第二の計測用基材１０の表面に堆積した膜の膜厚ｔ＋をそれぞれ接触式段差計やエリプソメーター等の光学的装置を用いて計測する。
【００４８】
また、各計測用基材１０を真空チャンバー２内から取り出さずに、各計測用基材１０に堆積した膜の膜厚ｔ−，ｔ＋を表面処理中または表面処理後に計測するようにしてもよい。この場合には、真空チャンバー２の計測用基材１０と対向する位置に例えば干渉式の膜厚計を設ける。そして、計測用基材１０上に堆積した膜の表面にレーザーやＵＶ光を照射することで、その干渉強度により膜厚をリアルタイムでモニタリングすることができる。
【００４９】
ところで、これらの膜厚ｔ−，ｔ＋は次のように考えられる。即ち、前述したように第一の計測用基材１０には、イオンと中性粒子の密度の合計値を反映した膜が成膜されており、第二の計測用基材１０には、中性粒子の密度を反映した膜が成膜されている。したがって、イオン化率をＲとすると、次の式（１）が成り立つ。
【００５０】
【数１】
2013258053.tif 000003
【００５１】
（１）式により、イオン化率を算出することができる。したがって、本発明の実施形態によるイオン化率計測方法および装置は、プラズマのイオン化率を簡単に計測でき、真空アーク蒸着装置での表面処理において、所望の膜応力の制御性・膜密着性が得られるイオン化率になるようにアーク放電電流を設定することが可能となる。ひいては、成膜不良を抑制することができ、表面処理の生産性を向上することができる。
【００５２】
更に、前述したように計測用基材１０に堆積した膜の膜厚ｔ−，ｔ＋を表面処理中に計測すれば、プラズマのイオン化率をリアルタイムで算出することができるので、最適なアーク放電電流の設定を表面処理中に行うことができるようになる。
【００５３】
次に、シールド１３によって、第二の計測用基材１０および計測用基材ホルダー１１にプラズマ５中の電子を流入させないようにした理由について説明する。
【００５４】
第一の計測用基材１０に略プラズマ電位以下の電位となる電圧を印加して成膜を実施した場合は、イオンと中性粒子によって成膜されるが、このとき電源１３に流れる電流はイオン飽和電流として次の式（２）で表される。
【００５５】
【数２】
2013258053.tif 000004
【００５６】
一方、第二の計測用基材１０にプラズマ電位よりも高い電位を印加して成膜を実施した場合は、中性粒子のみによって、成膜されるが、もしシールド１３が存在しない場合は、第二の計測用基材１０および計測用基材ホルダー１１にプラズマ５から電子が流入し、このとき電源１４に流れる電流は電子飽和電流として次の式（３）で表される。
【００５７】
【数３】
2013258053.tif 000005
【００５８】
式（２），（３）において、ｚはイオンの価数、ｅは電気素量、ｎはプラズマ密度、ｋはボルツマン定数、Ｔｅは電子温度、ｍｉはイオンの質量、ｍｅは電子の質量、Ａは計測用基材１０および計測用基材ホルダー１１にプラズマからイオンや電子が流入する面積である。
【００５９】
イオンが１価の炭素イオンの場合、ｎ＝１×１０１１ｃｍ−１、Ｔｅ＝２ｅＶ、Ａ＝０．０１ｍ２（１０ｃｍ□）として、式（２），（３）を用いて計算すると、Ｉｅ０＝３７．９Ａ、Ｉｉ０＝０．３９Ａとなり、電子飽和電流はイオン飽和電流の約９７倍もの大きな値となる。更により高密度のプラズマの場合、ｎ＝１×１０１２ｃｍ−１、Ｔｅ＝４ｅＶ、他は同じ条件として同様に計算すると、Ｉｅ０＝５３６Ａ、Ｉｉ０＝５．５３Ａとなり、電子飽和電流はあまりにも大きな値となる。この場合の電源１２の仕様は±１００Ｖ、６００Ａ程度となるので、電源１２の相当なコストアップになり、装置全体のコストアップという問題が生じる。そこで、本発明では電源１４が更に必要となるが、第二の計測用基材１０にプラズマ電位よりも高い電位となる電圧を印加して成膜を実施する場合は、シールド１３にプラズマ電位よりも低い電位となる電圧を印加し、予め電子を反射・除去している。その結果として、第二の計測用基材１０および計測用基材ホルダー１１にはプラズマ５から電子が流入しなくなり、電源１２にはほとんど電流が流れないことになる。したがって、本発明の電源１２の仕様は±１００Ｖ、６Ａ程度、電源１４の仕様は−５０Ｖ、６Ａ程度となり、装置全体での大きなコストアップという問題は生じない。
【００６０】
また、上記のようにあまりにも大きな電子飽和電流が第二の計測用基材１０に流れると、成膜温度が著しく高くなるので、膜表面の荒れや膜密度の変化等、膜質の変質が懸念される。そうすると、式（１）によってイオン化率を算出する場合に大きな誤差が発生する可能性がある。更に、計測用基材１０および計測用基材ホルダー１１の温度が大きく上昇することによる各部の熱変形や熱歪等の損傷を防止するために、大掛かりな冷却機構が必要になる等、更なる装置のコストアップという問題が生じる。しかし、本発明ではシールド１３を設けているので、計測用基材１０および計測用基材ホルダー１１にはプラズマ５から大きな電子飽和電流が流れずこのような問題は生じない。即ち、以上説明した理由により、シールド１３を設けることで装置を安価にすることができる。
【００６１】
以上のような計測を成膜の度に実施すれば、その成膜におけるイオン化率の状況を製造ロット毎に把握することができ、その成膜の良・不良の判定をすることができる。計測は成膜する度に実施することが望ましいが、イオン化率の低下が装置内の汚れ等に起因するような場合は、例えば成膜を十回に一回の割合で実施すればよい。そうすると、イオン化率の変化を把握することによって、装置メンテナンスの時期を予測することができるので、装置の効率的な運用をすることができる。
【００６２】
本発明の実施形態では、本発明を真空アーク蒸着法に適用した場合について説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されず、プラズマを用いた他のＰＶＤ法やＣＶＤ法等、半導体エッチングプロセス等の表面処理方法および装置においても、成膜が可能な場合には本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１  イオン化率計測装置
２  真空チャンバー
３  陰極
４  基材支持装置
５  プラズマ
１０，５０  計測用基材
１１，５１  計測用基材ホルダー
１２，１４，５２  電源
１３  シールド
４０  基材
４１  基材ホルダー
５５  シャッター
１００  真空アーク蒸着装置
【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５】
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