(57)【要約】【課題】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および装置を提供する。【解決手段】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、かつ、計測用基材１０に流れる電流の計測を行うことにより、計測用基材１０上に堆積した膜の膜厚と、電流の計測結果とを用いてプラズマ５のイオン化率を算出する。【選択図】図１
2013258054.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計測用基材を設け、
前記計測用基材に前記表面処理を行うとともに、
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を印加し、
かつ、前記計測用基材に流れる電流の計測を行うことにより、
前記計測用基材上に堆積した膜の膜厚と、前記電流の計測結果と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】
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に記載のイオン化率計測方法。
【請求項３】
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または２に記載のイオン化率計測方法。
【請求項４】
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を印加可能な電源と、
前記計測用基材に流れる電流を計測可能な電流計と、
を備える、イオン化率計測装置。
【請求項５】
前記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４に記載のイオン化率計測装置。
【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４または５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計測用基材を設け、前記計測用基材に前記表面処理を行うとともに、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を印加し、かつ、前記計測用基材に流れる電流の計測を行うことにより、前記計測用基材上に堆積した膜の膜厚と、前記電流の計測結果と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計測用基材に堆積した膜の膜厚、即ちプラズマ中の中性粒子とイオンの堆積による膜厚ｔの内、イオンの堆積による膜厚分ｔｉ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、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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を印加可能な電源と、前記計測用基材に流れる電流を計測可能な電流計と、を備えることを特徴としている。
【００１８】
また、前記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。
【００１９】
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。
【００２０】
また、本発明は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。
【発明の効果】
【００２１】
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】
【００２２】
【図１】本発明の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。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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、本発明の実施形態であ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、電流計１２と、電源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。
【００２４】
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外に設けられた電流計１２を介して電源１３に電気的に接続される。また、電源１３は接地される。計測用基材ホルダー１１と電流計１２との間の配線は、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。
【００２５】
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。
【００２６】
また、真空チャンバー２内部の陰極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。
【００２７】
ここで、イオン化率計測装置１の計測用基材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、詳細は後述が計測用基材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。
【００２８】
計測用基材ホルダー１１には、計測用基材１０が陰極３と対向するように配設される。そして、図１の例では計測用基材ホルダー１１を基材支持装置４の下方に設けられているが、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。
【００２９】
電源１３には、例えば直流電源を使用することができる。
【００３０】
次に、本発明の実施形態にかか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。
【００３１】
図１を参照して、まず、イオン化率計測装置１の計測用基材１０に、電源１３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。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。
【００３２】
また、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て真空チャンバー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。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、計測用基材１０にプラズマ中のイオン(正イオン)が引き付けられる。したがって、計測用基材１０に効率よく成膜を行うことができる。
【００３３】
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。
【００３４】
また、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低い電位であることが好ましい。
【００３５】
一方、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。
【００３６】
そして、上記の成膜の際には、プラズマ５中の電子が計測用基材１０および計測用基材ホルダー１１に流入することで流れる電流Ｉを電流計１２で計測する。また、計測用基材１０の成膜時間Ｔを計測する。
【００３７】
上記の成膜が終了すれば、計測用基材１０を真空チャンバー２内から取り出し、計測用基材１０の表面に堆積した膜の膜厚ｔを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。
【００３８】
また、計測用基材１０を真空チャンバー２内から取り出さずに、計測用基材１０に堆積した膜の膜厚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。
【００３９】
ところで、この膜厚ｔは次のように考えられる。即ち、計測用基材１０に略プラズマ電位以下の電圧を印加して成膜を実施した場合、その膜はイオンと中性粒子によって成膜されているので、膜厚ｔはイオンと中性粒子の密度の合計値を反映したものとなる。
【００４０】
一方、膜厚ｔの内、イオンによって成膜された分ｔｉについては、次の（１）式で算出することができる。
【００４１】
【数１】
2013258054.tif 000003
【００４２】
（１）式において、ｚはイオンの価数、ｅは電気素量、ｍはイオンの質量、Ｉは計測電流、Ｓ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が流入する面積、ρは膜密度、Ｔは計測のための成膜時間である。なお、（１）式ではイオン種として一種類の単原子分子イオンのみを考慮している。したがって、二種類以上、あるいは二原子分子等のイオンが存在する場合には、予めそれらの割合を質量分析器等で計測しておき、それらを考慮した式に（１）式を変更すればよい。
【００４３】
ここで、イオン化率Ｒを次の（２）式で定義することができる。
【００４４】
【数２】
2013258054.tif 000004
【００４５】
（１），（２）式より、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。
【００４６】
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。
【００４７】
しかも、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。
【００４８】
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】
【００４９】
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  計測用基材
１１  計測用基材ホルダー
１２  電流計
１３  電源
４０  基材
４１  基材ホルダー
１００  真空アーク蒸着装置
【図１】
2013258054.tif 000005