(57)【要約】【課題】プラズマを用いて処理対象部材に皮膜を形成するとき、処理対象部材に形成された薄膜に一様なイオンフラックスでイオンを注入する。また、イオンフラックに影響を与えるプラズマのシース電界の強さを容易に計測する。【解決手段】プラズマ生成中のシース電界を計測するとき、レーザ飽和吸収分光法を用いて、レーザ光をシース層に照射する。この時、レーザ光は、設定された変調周波数で波長を変調させ、シース層を透過したレーザ光の光強度を計測する。計測した光強度から、光強度の変調周波数の２次の変調成分を取り出し、この変調成分から、シース層中の原子においてレーザ光の吸収飽和が生じた計測吸収波長の情報を求める。この計測吸収波長の情報を用いて、シース層のシース電界の強さを求める。成膜を形成するとき、シース層の電界の強さに基づいて、処理対象部材に形成される薄膜にイオンを注するタイミングを定める。【選択図】  図１
2016091628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ生成中にプラズマが固体と接する境界に形成されるシース層のシース電界を計測するシース電界計測方法であって、
シース層に、設定された変調周波数の変調信号を用いて波長を変調周波数で変調させた第１のレーザ光を第１の方向に沿ってシース層に照射するとともに、前記変調信号を用いて波長を前記変調周波数で変調させた第２のレーザ光を、前記第１のレーザ光と同一の光路上に前記第１の方向と反対の第２の方向に沿って前記シース層に照射しつつ、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光の波長を掃引させるステップと、
前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光のうち少なくとも一方の、前記シース層を透過したレーザ光の光強度を計測するステップと、
計測した前記光強度を、前記変調信号を用いて前記光強度の前記変調周波数のｎ次の変調成分（ｎは自然数）を取り出すステップと、
前記ｎ次の変調成分から、前記シース層中の原子においてレーザ光の吸収飽和が生じた計測吸収波長の情報を求めるステップと、
前記計測吸収波長の情報を用いて、前記シース層のシース電界の強さを求めるステップと、を有することを特徴とするシース電界計測方法。
【請求項２】
前記シース電界の強さを求めるとき、複数の電界条件におけるシュタルクスペクトルの理論吸収波長の情報と電界の対応関係を用いて、前記計測吸収波長の情報から、前記シース電界の強さを求める、請求項１に記載のシース電界計測方法。
【請求項３】
前記計測吸収波長の情報は、レーザ光の吸収飽和が生じた複数の計測吸収波長を含み、
前記シュタルクスペクトルの理論吸収波長の情報は、複数の理論吸収波長を含み、
前記シース電界の強さを求めるとき、前記複数の計測吸収波長を前記複数の理論吸収波長と照合することにより、前記シース電界の強さを求める、請求項２に記載のシース電界計測方法。
【請求項４】
前記変調成分は、２次の変調成分である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシース電界計測方法。
【請求項５】
前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光は直線偏光であり、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光の前記直線偏光の偏光方向は同じである、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシース電界計測方法。
【請求項６】
プラズマを用いて処理対象物部材に皮膜を形成する皮膜形成方法であって、
皮膜を形成する処理対象物部材の中心に対して異なる方向に、処理空間内のガスを用いて第１のプラズマ及び第２のプラズマを生成することにより、前記処理対象物部材の表面に薄膜を形成するステップと、
前記第１のプラズマの生成中、前記処理対象部材にパルス電圧を印加することにより、前記第１のプラズマ及び前記第２のプラズマによって前記処理空間内のガスからつくられたイオンを前記薄膜に注入して、前記薄膜を皮膜にするステップと、
前記処理対象部材にパルス電圧を印加する前に、前記第１のプラズマが前記処理対象部材と接する境界に形成されるシース層のシース電界の強さを計測するステップと、
計測した前記シース電界の強さに基づいて、前記イオンの注入の条件を定めるステップと、を有する皮膜形成方法。
【請求項７】
前記シース電界の強さの計測するステップは、
前記第１のプラズマと前記処理対象部材との間のシース層に、設定された変調周波数の変調信号で波長を変調周波数で変調させた第１のレーザ光を第１の方向に沿って照射するとともに、前記変調信号で波長を前記変調周波数で変調させた第２のレーザ光を、前記第１のレーザ光と同一の光路上に前記第１の方向と反対の第２の方向に沿って照射しつつ、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光の波長を掃引させるステップと、
前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光のうち少なくとも一方の、前記シース層を透過したレーザ光の光強度を計測するステップと、
計測した前記光強度を、前記変調信号を用いて前記光強度の前記変調周波数のｎ次の変調成分（ｎは自然数）を取り出すステップと、
前記ｎ次の変調成分から、前記シース層中の原子においてレーザ光の吸収飽和が生じた計測吸収波長の情報を求めるステップと、
前記計測吸収波長の情報を用いて、前記シース層のシース電界の強さを求めるステップと、を含む、請求項６に記載の皮膜形成方法。
【請求項８】
さらに、前記イオン注入の条件を用いて、前記処理対象部材に形成される皮膜と同じ膜質を有する皮膜を、前記処理対象部材とは異なる別の処理対象部材に形成する、請求項６または７に記載の皮膜形成方法。
【請求項９】
前記イオンの注入の条件は、前記パルス電圧の印加のタイミングを定めることであり、
前記パルス電圧の印加のタイミングを定めるとき、形成される皮膜が目標膜質を有するときのシース電界の目標の強さを予めデータとして取得しておき、前記別の処理対象物部材に皮膜を形成するとき、前記シース電界の強さの計測により求めたシース電界の強さが前記目標の強さになるタイミングを用いて前記パルス電圧の印加を行なう、請求項７に記載の皮膜形成方法。
【請求項１０】
前記処理空間内のガスは、炭素及び水素を含むガスである、請求項６〜９のいずれか１項に記載の皮膜形成方法。
【請求項１１】
前記皮膜は、水素を含んだダイヤモンドライクカーボンであり、
前記計測吸収波長の情報は、シース電界により変化した水素原子の複数の吸収波長の少なくとも１つの情報である、請求項６〜１０のいずれか１項に記載の皮膜形成方法。
【請求項１２】
プラズマ生成中にプラズマが固体と接する境界に形成されるシース層のシース電界を計測するシース電界計測装置であって、
シース層に、設定された変調周波数の変調信号を用いて波長を変調周波数で変調させた第１のレーザ光を第１の方向に沿ってシース層に照射させるとともに、前記変調信号を用いて波長を前記変調周波数で変調させた第２のレーザ光を、前記第１のレーザ光と同一の光路上に前記第１の方向と反対の第２の方向に沿って前記シース層に照射させつつ、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光の波長を掃引させるように構成されたレーザ光照射部と、
前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光のうち少なくとも一方の、前記シース層を透過したレーザ光の光強度を計測するように構成された計測部と、
計測した前記光強度を、前記変調信号を用いて前記光強度の前記変調周波数のｎ次の変調成分（ｎは自然数）を取り出すように構成された処理部と、
前記ｎ次の変調成分から、前記シース層中の原子においてレーザ光の吸収飽和が生じた計測吸収波長の情報を求めるように構成された情報取得部と、
前記計測吸収波長の情報を用いて、前記シース電界の強さを求めるように構成された電界情報取得部と、を有することを特徴とするシース電界計測装置。
【請求項１３】
プラズマを用いて処理対象物部材に皮膜を形成する皮膜形成装置であって、
処理対象部材を配置した処理空間を有し、前記処理空間にガスが供給されるように構成された皮膜形成容器と、
前記処理対象物部材の表面に薄膜を形成するために、処理対象物部材の中心に対して異なる方向に、前記ガスを用いて第１のプラズマ及び第２のプラズマを生成するように構成されたプラズマ源と、
前記第１のプラズマ及び前記第２のプラズマによって前記ガスからつくられたイオンを前記薄膜に注入して、前記薄膜を皮膜にするために、前記第１のプラズマの生成中、前記処理対象部材にパルス電圧を印加するように構成されたパルス電圧源と、
前記処理対象部材にパルス電圧を印加する前に、前記第１のプラズマが記処理対象部材と接する境界に形成されるシース層のシース電界の強さを計測するシース電界計測装置と、
計測した前記シース電界の強さに基づいて、前記イオンの注入の条件を定めるように構成された制御装置と、を有する皮膜形成装置。
【請求項１４】
前記シース電界計測装置は、請求項１２に記載のシース電界計測装置である、請求項１３に記載の皮膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマが固体と接する境界に形成されるシース層（空間電荷層）の電界（以降、シース電界という）を計測するシース電界計測方法及びシース電界計測装置と、シース電界の計測結果を用いた皮膜形成方法及び皮膜形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
３次元の立体形状の部材に皮膜を形成するために、プラズマイオン注入法を用いる技術が知られている。プラズマイオン注入法では、プラズマ中のイオンを、高電圧のパルス電圧を印加した処理対象部材の表面に衝突させ、物体表面にイオンを注入させる方法である。従来のイオンビームに比べて複雑な３次元形状の部材であっても皮膜を形成することができる点で優れている。
【０００３】
従来から知られているプラズマイオン注入法を用いたイオン注入装置（特許文献１）では、処理対象部材を処理空間内に支持装置で宙吊り状態に支持し、この処理対象部材に高電圧パルス電源から高電圧パルスを印加する。一方、陰極体で固体原料を溶融させ、固体原料融液を保持させた状態で、陰極体の上方に設けられた陽極体との間で放電させて固体原料融液からプラズマを発生させる。このプラズマの発生により生じたイオンを、高電圧パルスの印加された処理対象部材に引き寄せ、処理対象部材にイオンを注入させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０６９１９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記イオン注入装置により、３次元形状の処理対象部材であっても皮膜を形成することができる。しかし、３次元形状の処理対象部材のサイズが大きく、処理対象部材の形状が複雑な場合、処理対象部材のすべての部分に皮膜を形成することは難しい。皮膜を処理対象部材のすべての部分に形成することができても、皮膜の特性（厚さ、屈折率、皮膜成分の組成比率、皮膜密度、皮膜硬度等）を場所に拠らず一様にすることは難しい。例えば、処理対象部材の表面にダイヤモンドライクカーボンの皮膜を形成するとき、この皮膜内の水素の含有率が場所によって変動する。このような変動は、注入しようとするイオンのエネルギーや密度が不均一な分布を持つことに起因する。すなわち、イオンを注入するとき、処理対象部材に向かうイオンの流れであるイオンフラックスが場所によって異なる。
イオンフラックスは、処理対象部材に高電圧パルスを印加する時のプラズマのシース電界に影響を受ける。このため、イオンフラックスを制御するために、プラズマのシース電界の強さを計測することが好ましい。プラズマのシース電界を計測する技術として、ラングミュアプローブ法、ドップラーシフトＬＩＦ法、レーザ励起・衝突・蛍光法、レーザ誘起蛍光減光法等が知られている。しかし、これらの方法は、計測空間分解能や成膜空間内のガス圧に制限があり、皮膜を形成するためにイオン注入を行う時の実際の条件において上記方法を適用することは難しく、あるいは、上記方法を行なう計測装置が高価であり、計測ノウハウも必要であり、実用的ではなかった。
【０００６】
そこで、本発明は、プラズマを用いて処理対象部材に皮膜を形成するとき、処理対象部材に形成された薄膜に一様なイオンフラックスでイオンを注入することができる皮膜形成方法、皮膜形成装置、及びイオンフラックに影響を与えるシース電界の強さを容易に計測することができる、シース電界計測方法及びシース電界計測装置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】
【０００７】
本発明の一態様は、プラズマ生成中にプラズマが固体と接する境界に形成されるシース層のシース電界を計測するシース電界計測方法である。当該方法は、
シース層に、設定された変調周波数の変調信号を用いて波長を変調周波数で変調させた第１のレーザ光を第１の方向に沿ってシース層に照射するとともに、前記変調信号を用いて波長を前記変調周波数で変調させた第２のレーザ光を、前記第１のレーザ光と同一の光路上に前記第１の方向と反対の第２の方向に沿って前記シース層に照射しつつ、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光の波長を掃引させるステップと、
前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光のうち少なくとも一方の、前記シース層を透過したレーザ光の光強度を計測するステップと、
計測した前記光強度を、前記変調信号を用いて前記光強度の前記変調周波数のｎ次の変調成分（ｎは自然数）を取り出すステップと、
前記ｎ次の変調成分から、前記シース層中の原子においてレーザ光の吸収飽和が生じた計測吸収波長の情報を求めるステップと、
前記計測吸収波長の情報を用いて、前記シース層のシース電界の強さを求めるステップと、を有する。
【０００８】
前記シース電界の強さを求めるとき、複数の電界条件におけるシュタルクスペクトルの理論吸収波長の情報と電界の対応関係を用いて、前記計測吸収波長の情報から、前記シース電界の強さを求める、ことが好ましい。
【０００９】
前記計測吸収波長の情報は、レーザ光の吸収飽和が生じた複数の計測吸収波長を含み、
前記シュタルクスペクトルの理論吸収波長の情報は、複数の理論吸収波長を含み、
前記シース電界の強さを求めるとき、前記複数の計測吸収波長を前記複数の理論吸収波長と照合することにより、前記シース電界の強さを求める、ことが好ましい。
【００１０】
前記変調成分は、２次の変調成分である、ことが好ましい。
【００１１】
前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光は直線偏光であり、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光の前記直線偏光の偏光方向は同じである、ことが好ましい。
【００１２】
本発明の他の一態様は、プラズマを用いて処理対象物部材に皮膜を形成する皮膜形成方法である。当該方法は、
皮膜を形成する処理対象物部材の中心に対して異なる方向に、処理空間内のガスを用いて第１のプラズマ及び第２のプラズマを生成することにより、前記処理対象物部材の表面に薄膜を形成するステップと、
前記第１のプラズマの生成中、前記処理対象部材にパルス電圧を印加することにより、前記第１のプラズマ及び前記第２のプラズマによって前記処理空間内のガスからつくられたイオンを前記薄膜に注入して、前記薄膜を皮膜にするステップと、
前記処理対象部材にパルス電圧を印加する前に、前記第１のプラズマが前記処理対象部材と接する境界に形成されるシース層のシース電界の強さを計測するステップと、
計測した前記シース電界の強さに基づいて、前記イオンの注入の条件を定めるステップと、を有する。
【００１３】
前記シース電界の強さの計測するステップは、
前記第１のプラズマと前記処理対象部材との間のシース層に、設定された変調周波数の変調信号で波長を変調周波数で変調させた第１のレーザ光を第１の方向に沿って照射するとともに、前記変調信号で波長を前記変調周波数で変調させた第２のレーザ光を、前記第１のレーザ光と同一の光路上に前記第１の方向と反対の第２の方向に沿って照射しつつ、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光の波長を掃引させるステップと、
前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光のうち少なくとも一方の、前記シース層を透過したレーザ光の光強度を計測するステップと、
計測した前記光強度を、前記変調信号を用いて前記光強度の前記変調周波数のｎ次の変調成分（ｎは自然数）を取り出すステップと、
前記ｎ次の変調成分から、前記シース層中の原子においてレーザ光の吸収飽和が生じた計測吸収波長の情報を求めるステップと、
前記計測吸収波長の情報を用いて、前記シース層のシース電界の強さを求めるステップと、を含む、ことが好ましい。
【００１４】
さらに、前記イオン注入の条件を用いて、前記処理対象部材に形成される皮膜と同じ膜質を有する皮膜を、前記処理対象部材とは異なる別の処理対象部材に形成する、ことが好ましい。
【００１５】
前記イオンの注入の条件は、前記パルス電圧の印加のタイミングを定めることであり、
前記パルス電圧の印加のタイミングを定めるとき、形成される皮膜が目標膜質を有するときのシース電界の目標の強さを予めデータとして取得しておき、前記別の処理対象物部材に皮膜を形成するとき、前記シース電界の強さの計測により求めたシース電界の強さが前記目標の強さになるタイミングを用いて前記パルス電圧の印加を行なう、ことが好ましい。
【００１６】
前記処理空間内のガスは、炭素及び水素を含むガスである、ことが好ましい。
【００１７】
前記皮膜は、水素を含んだダイヤモンドライクカーボンであり、
前記計測吸収波長の情報は、シース電界により変化した水素原子の複数の吸収波長の少なくとも１つの情報である、ことが好ましい。
【００１８】
本発明のさらに他の一態様は、プラズマ生成中にプラズマが固体と接する境界に形成されるシース層のシース電界を計測するシース電界計測装置である。当該装置は、
シース層に、設定された変調周波数の変調信号を用いて波長を変調周波数で変調させた第１のレーザ光を第１の方向に沿ってシース層に照射させるとともに、前記変調信号を用いて波長を前記変調周波数で変調させた第２のレーザ光を、前記第１のレーザ光と同一の光路上に前記第１の方向と反対の第２の方向に沿って前記シース層に照射させつつ、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光の波長を掃引させるように構成されたレーザ光照射部と、
前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光のうち少なくとも一方の、前記シース層を透過したレーザ光の光強度を計測するように構成された計測部と、
計測した前記光強度を、前記変調信号を用いて前記光強度の前記変調周波数のｎ次の変調成分（ｎは自然数）を取り出すように構成された処理部と、
前記ｎ次の変調成分から、前記シース層中の原子においてレーザ光の吸収飽和が生じた計測吸収波長の情報を求めるように構成された情報取得部と、
前記計測吸収波長の情報を用いて、前記シース電界の強さを求めるように構成された電界情報取得部と、を有する。
【００１９】
本発明のさらに他の一態様は、プラズマを用いて処理対象物部材に皮膜を形成する皮膜形成装置である。当該装置は、
処理対象部材を配置した処理空間を有し、前記処理空間にガスが供給されるように構成された皮膜形成容器と、
前記処理対象物部材の表面に薄膜を形成するために、処理対象物部材の中心に対して異なる方向に、前記ガスを用いて第１のプラズマ及び第２のプラズマを生成するように構成されたプラズマ源と、
前記第１のプラズマ及び前記第２のプラズマによって前記ガスからつくられたイオンを前記薄膜に注入して、前記薄膜を皮膜にするために、前記第１のプラズマの生成中、前記処理対象部材にパルス電圧を印加するように構成されたパルス電圧源と、
前記処理対象部材にパルス電圧を印加する前に、前記第１のプラズマが記処理対象部材と接する境界に形成されるシース層のシース電界の強さを計測するシース電界計測装置と、
計測した前記シース電界の強さに基づいて、前記イオンの注入の条件を定めるように構成された制御装置と、を有する。
【００２０】
前記シース電界計測装置は、前記シース電界計測装置である、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
上述のシース電界計測方法及びシース電界計測装置によれば、プラズマ生成中のシース電界の強さを容易に計測することができる。また、上述の皮膜形成方法、皮膜形成装置によれば、処理対象部材に一様なイオンフラックスでイオンを注入することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態のシース電界計測方法を行なう、本実施形態のシース電界計測装置の構成を説明する図である。
【図２】本実施形態のシース電界計測装置の処理部で得られる結果を説明する図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、水素原子のバルマーα線の理論スペクトル波形の例を示す図である。
【図４】図１に示す電極に電位を与えたときにデータ処理部で得られるスペクトル波形の例を示す図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、本実施形態の皮膜形成装置の構成を説明する図である。
【図６】本実施形態の皮膜形成装置でシース電界の強さを計測する一例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明のシース電界計測方法、シース電界計測装置、皮膜形成方法、及び皮膜形成装置について詳細に説明する。
図１は、本実施形態のシース電界計測方法を行なう、本実施形態のシース電界計測装置の構成を説明する図である。本実施形態のシース電界計測方法及びシース電界計測装置は、後述する本実施形態の皮膜形成方法及び皮膜形成装置に用いることができる。
【００２４】
（シース電界計測装置及び計測方法）
シース電界計測装置１０は、プラズマの生成中、プラズマが固体と接する境界に形成されるシース層の電界、すなわちシース電界を計測する装置である。シース電界計測装置１０は、主に、レーザ光照射部１２と、計測部１４と、処理部１６と、を有する。
【００２５】
レーザ光照射部１２は、設定された変調周波数の変調信号を用いて、波長を変調周波数で変調させた第１のレーザ光を第１の方向に沿ってシース層に照射させるとともに、前記変調信号で波長を前記変調周波数で変調させた第２のレーザ光を、前記第１のレーザ光と同一の経路上に前記第１の方向と反対の第２の方向に沿ってシース層に照射させつつ、第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光の波長を掃引させるように構成されている。
レーザ光照射部１２は、具体的には、第１ファンクションジェネレータ１２ａと、第２ファンクションジェネレータ１２ｂと、レーザ光源１２ｃと、アイソレータ１２ｄと、コリメータ１２ｅと、ミラ１２ｆ，１２ｇと、減光フィルタ１２ｈと、加算器１２ｉと、を有する。
【００２６】
第１ファンクションジェネレータ１２ａは、レーザ光の波長を掃引させるための波長掃引信号を発生する。波長掃引信号は、例えば三角波信号である。
第２ファンクションジェネレータ１２ｂは、設定された変調周波数でレーザ光の波長を変調するために用いる変調信号を生成する。変調信号は、例えば正弦波信号であり、参照信号として用いるために、後述するロックインアンプ１６ａに送られる。
加算器１２ｉは、波長掃引信号と変調信号を加算する。加算された信号は、レーザ光源１２ｃに送られ、波長の掃引と波長の周波数変調に用いられる。また、後述するデータ処理部１６ｂに送られる。
【００２７】
レーザ光源１２ｃは、出射するレーザ光の波長可変な光源であり、例えば半導体レーザが用いられる。加算器１２ｉから送られた変調信号を含む信号を用いて、上記変調信号の変調周波数で波長を変調させたレーザ光を出射する。レーザ光の波長をλとするとき、λは、λ０＋ａ・ｓｉｎ（Ωｔ）（ａは波長の変調の強さであり、Ωは変調信号の変調周波数である）で表される。ここで、λ０は、波長掃引信号に従って時間とともに上昇、あるいは下降する。レーザ光の光路の上流側から順番に、アイソレータ１２ｄ、コリメータ１２ｅ、皮膜形成装置１８、減光フィルタ１２ｈ、ミラ１２ｇが設けられている。
アイソレータ１２ｄは、レーザ光が後述するミラ１２ｇで反射して得られるレーザ光と逆行する反射光を遮断するとともに、レーザ光の偏光を一方向に偏光する。
コリメータ１２ｅは、偏光したレーザ光を平行光にする。
皮膜形成装置１８は、減圧空間である処理空間内に成膜ガスを導入し、図示されないアンテナを用いて高周波磁場を形成し、この高周波磁場を用いてプラズマを生成し、このプラズマを用いて処理空間に配置した処理対象部材１１に皮膜を形成する。すなわち、本実施形態のシース電界計測装置１０では、皮膜形成装置１８で皮膜の形成に用いるプラズマのシース電界の強さを計測する。なお、シース電界の計測は、皮膜形成装置１８に用いるプラズマに制限されない。本実施形態では、一例として皮膜形成装置１８を用いる。
【００２８】
なお、シース層は、処理対象部材１１の表面近傍に形成されるため、レーザ光は、皮膜形成装置１８の成膜容器の窓から入射させ、処理対象部材１１の表面から例えば０．５〜１０ｍｍ離間したシース層の位置に、処理対象部材１１の表面に沿って通過させ、上記成膜容器の窓から外部に出射させる。レーザ光は減光フィルタ１２ｈで光強度を低下させて、ミラ１２ｇで反射させる。ミラ１２ｇで反射したレーザ光の反射光は、レーザ光と同一の光路をたどって、処理空間内のプラズマのシース層を通過する。
【００２９】
このように、レーザ光とレーザ光の反射光を用いて、互いに逆方向からレーザ光をシース層に通過させることにより、本実施形態では、レーザ飽和吸収分光法を実現している。本実施形態では、レーザ光とその反射光を用いてレーザ飽和吸収分光法を実現するが、レーザ光照射部１２から出射したレーザ光を２つに分離し分離したレーザ光を互いに逆方向からシース層に照射するように光学装置を構成して、レーザ飽和吸収分光法を実現することもできる。すなわち、レーザ光照射部１２は、第１のレーザ光を第１の方向に沿ってシース層に照射させるとともに、変調信号で波長を変調周波数で変調させた第２のレーザ光を、第１のレーザ光と同一の光路上に第１の方向と反対の第２の方向に沿って上記シース層に照射させつつ、第１のレーザ光及び第２のレーザ光の波長を掃引させるように構成されている。
【００３０】
レーザ飽和吸収分光法は、後述する理由により、原子の吸収波長の計測を容易にすることができる。レーザ光を一方からシース層に照射した場合、周波数ν、強度Ｉ０のレーザ光の光強度（透過光強度）は、原子の吸収を受けてＩ０(ν)・ｅｘｐ［−α（ν）・Ｌ］（Ｌはレーザ光による照射されるシース層の長さであり、αは原子の吸収係数である）となる。したがって、シース層を透過したレーザ光の光強度（透過光強度）は、原子の共鳴周波数で最も小さくなる。しかし、原子は温度を持っているので、レーザ光の照射方向の速度成分を持った原子は、ドップラー効果により上記共鳴周波数よりも高い、あるいは低い周波数（波長）のレーザ光を吸収する。このため、計測される原子の吸収スペクトルのピークの半値幅は、本来の原子の吸収スペクトルのピークの半値幅に比べて広がる。これがドップラー広がりである。特に、本実施形態では、シース電界の強さによって吸収波長が変化するシュタルク効果を用いるため、シース電界の強さによって変化する吸収スペクトルの吸収波長が、ドップラー広がりに埋もれることを避けなければならない。このため、本実施形態では、同じ波長のレーザ光を互いに逆方向からシース層に照射するレーザ飽和吸収分光法を用いる。レーザ飽和吸収分光法は、ドップラー広がりを除去して計測できる方法である。同じ波長のレーザ光を互いに逆方向からシース層に照射するとき、原子の共鳴周波数近傍では、速度成分０の原子が２つのレーザ光の吸収を受けようとする。しかし、原子が、２つのレーザ光の一方のレーザ光を吸収すると、原子の吸収飽和により、他方のレーザ光の吸収は生じ難くなる。このため、レーザ光の原子による吸収は低下して、レーザ光の光強度（透過光強度）は増加する。すなわち、シース層を透過したレーザ光の光強度を計測したとき、ドップラー広がりのない、原子の吸収スペクトルの吸収波長に対応した鋭いラムディップがシース層を透過した光の光強度信号に現れる。本実施形態では、この鋭いラムディップの波長を計測することにより、シース電界の強さを求めることができる。
【００３１】
したがって、レーザ光及び反射光の光路中に、ハーフミラ１４ｃを設け、シース層を透過したレーザ光及び反射光の強度（透過光強度）を計測する。
計測部１４は、検出器１４ａと、絞り１４ｂと、ハーフミラ１４ｃと、を有する。
検出器１４ａは、レーザ光及び反射光の光強度（透過光強度）を計測するセンサを備える。上記センサは、例えばフォトダイオードを用いることができるが、検出器１４ａのセンサは特に制限されない。
絞り１４ｂは、レーザ光及び反射光の検出器１４ａに入射する光を絞る。
検出器１４ａで得られるレーザ光及び反射光の光強度信号は、処理部１６に送られる。
【００３２】
処理部１６は、ロックインアンプ１６ａと、データ処理部１６ｂと、を有する。データ処理部１６ｂは、情報取得部１６ｃと、電界情報取得部１６ｄと、を有する。
処理部１６は、検出部１４で計測した光強度信号を、第２ファンクションジェネレータ１２ｂで生成された変調信号を用いて光強度の変調周波数の２次の変調成分を取り出すように構成されている。
ロックインアンプ１６ａは、レーザ光の波長を変調周波数で変調したレーザ光及びその反射光の透過光強度の光強度信号から、変調周波数の２次の変調成分を取りだす。具体的には、ロックインアンプ１６ａは、変調信号を用いて２次の変調成分の信号を出力する。この信号は、データ処理部１６ｂに送られる。
【００３３】
レーザ光は、レーザ光の波長を変調周波数で変調した光であるので、変調信号を参照信号として用いて、レーザ光及びその反射光の透過光強度の光強度信号から２次の変調成分を取り出すことができる。このとき、λ０＋ａ・ｓｉｎ（Ωｔ）で表されるレーザ光の波長のうち、波長の変調の強さａを小さくすることにより、例えば、１０ＧＨｚ以下に相当する波長、好ましくは５ＧＨｚ以下に相当する波長、さらに好ましくは２ＧＨｚ以下に相当する波長にすることにより、シース層中の原子の吸収波長が、シース電界の強さに応じて変化した結果を計測することができる。図２は、処理部１６で得られる処理結果の一例を説明する図であり、ａ＝周波数換算で３０ＧＨｚの波長と、ａ＝周波数換算で１ＧＨｚの波長を用いたときの処理結果の比較を示す。図２の横軸は、レーザ光あるいは反射光を原子が吸収するピーク波長に対応する周波数νを０ＧＨｚとして、その相対的な周波数νを表す。縦軸は、ロックインアンプ１６ａから出力される信号の値と、原子の吸収係数αを表している。図２からわかるように、ａ＝周波数換算で１ＧＨｚの波長の変調の条件では、原子の吸収に起因するラムディップが鋭く現れ、吸収波長（ラムディップの発生する波長）を求めることが容易にできる。なお、計測によって求められる吸収波長を計測吸収波長という。なお、図２に示す例では変調周波数Ωは３ｋＨｚとしている。
【００３４】
このように、レーザ光の波長を周波数変調し、かつ変調の強さａを小さくすることにより、ドップラー広がりによる滑らかな吸収係数αの波形２２に対して、原子の吸収に起因したシャープなラムディップを得ることができる。図２に示す例では、ａ＝周波数換算で１ＧＨｚの条件において、原子の吸収に起因したシャープなラムディップ２４，２６が得られる。ａ＝周波数換算で３０ＧＨｚの条件では、なだらかな波形成分２８にラムディップが重畳しているので、ラムディップの位置を判別し難い。この点から、波長の変調の強さａを小さくすることが好ましい。
このように、レーザ光の波長を周波数変調させて、シース電界の強さによって変化する吸収に起因したラムディップを求めるのは、レーザ光を吸収する前の原子の下準位の密度が低くても、高感度で原子の吸収に起因したラムディップ及び計測吸収波長（ラムディップの位置の波長）を検出するためである。
このように、本実施形態では、上述したレーザ飽和吸収分光法とレーザ光の波長の周波数変調方式を組み合わせたものである。
【００３５】
データ処理部１６ｂは、ロックインアンプ１６ａから送られる２次変調成分の信号を処理する部分で、例えばコンピュータにより構成される。コンピュータは、図示されないメモリに記録されたプログラムを起動することにより、情報取得部１６ｃと電界情報取得部１６ｄを形成する。情報取得部１６ｃと電界情報取得部１６ｄは、その機能をコンピュータのＣＰＵが実質的に司るソフトウェアモジュールである。
情報取得部１６ｃは、２次の変調成分から、シース層中の原子においてレーザ光の吸収飽和が生じた計測吸収波長の情報を求める。具体的には、情報取得部１６ｃは、ロックインアンプ１６ａから送られる２次変調成分の信号と、その信号の値に対応するレーザ光の波長の情報とから、ラムディップ２４，２６の波長を計測吸収波長として求める。データ処理部１６ｂは、加算器１２ｉから波長掃引信号と変調信号を加算した信号を受けるので、レーザ光の波長の情報を得ることができる。ラムディップ２４，２６は、レーザ飽和吸収分光法を用いて得られる原子の共鳴周波数でレーザ光あるいはその反射光を吸収することに起因するので、ドップラー広がりを持たず、鋭い窪みとなっている。しかも、レーザ光の波長の周波数変調方式を用いるので、レーザ光を吸収する前の原子の下準位の密度が低い場合であっても、高感度で計測吸収波長を検出することができる。
求められた吸収波長の情報は、電界情報取得部１６ｄに送られる。
【００３６】
電界情報取得部１６ｄは、情報取得部１６ｃから送られた計測吸収波長の情報を用いて、シース電界の強さを求める。具体的には、電界情報取得部１６ｄは、複数の電界の条件におけるシュタルクスペクトルの理論吸収波長の情報と電界の対応関係を用いて、計測吸収波長の情報から、シース電界の強さを求める。シュタルクスペクトルは、原子の種類とシース電界の強さの情報を与えることにより、理論計算により算出することができる。図３（ａ），（ｂ）は、水素原子のバルマーα線の理論スペクトル波形の例を示す図である。図３（ａ）はレーザ光の偏光方向を、電界を与えた方向と同じ方向としたときの例（σ）を示し、図３（ｂ）はレーザ光の偏光方向を、電界を与えた方向と直交する方向としたときの例（π）を示している。
【００３７】
このようなシース電界の強さと理論吸収波長の対応関係を事前に求めておき、情報取得部１６ｃから送られた計測吸収波長の情報を、上記対応関係を用いて理論吸収波長と照合することにより、シース電界の強さを求めることができる。情報取得部１６ｃから送られた計測吸収波長の情報が、複数の計測吸収波長を含む場合、複数の計測吸収波長を上記対応関係の複数の理論吸収波長と照合することによりシース電界の強さを求めることが、精度の高いシース電界の強さを求める点から好ましい。
電界情報取得部１６ｄは、求めたシース電界の強さの情報及び計測吸収波長の情報を、図示されないディスプレイあるいはプリンタに出力する。
【００３８】
図４は、図１に示す電極２０に電位を与えて電界が形成された時にデータ処理部１６ｂで得られるスペクトル波形の例を示す図である。図４は、電位を０Ｖから−１２０Ｖの範囲で与えたときのシュタルクスペクトルの計測結果を示している。図４に示すシュタルクスペクトルでは電位の強さに応じて計測吸収波長が変化している。例えば、２Ｐ１／２−３Ｄ３／２の吸収過程における計測吸収波長が電界の強さに応じて変化することが見られる。このような計測結果から得られる計測吸収波長を、図３（ａ）あるいは（ｂ）に示す対応関係を用いて理論吸収波長と照合することにより、シース電界の強さを求めることができる。例えば、電極２０に−４０Ｖの電位を与えたときの計測吸収波長から、そのときの計測した場所のシース電界の強さは約１００Ｖ／ｃｍであると、求めることができる。勿論、プラズマの生成中、電極２０に電位を与えない条件でシース電界の強さを求めることができる。
【００３９】
本実施形態のロックインアンプ１６ａでは、変調周波数の２次の変調成分を取りだすが、２次の変調成分に制限されない。１次や３次や４次や５次、あるいはそれ以降の高次の変調成分を取り出して、計測吸収波長を求めてもよい。しかし、比較的低次の変調成分で、ラムディップを容易に検出できる点から、２次の変調成分を用いることが好ましい。
【００４０】
また、レーザ光（第１のレーザ光）及びレーザ光の反射光（第２のレーザ光）は直線偏光であり、レーザ光（第１のレーザ光）及び反射光（第２のレーザ光）の直線偏光の偏光方向は同じであることが、計測吸収波長を求める点から好ましい。
【００４１】
このようなシース電界計測装置１０では、まず、レーザ光照射部１２において、プラズマ生成中のシース層に、設定された変調周波数の変調信号を用いて波長を変調周波数で変調させた第１のレーザ光を第１の方向に沿って照射するとともに、変調信号を用いて波長を変調周波数で変調させた第２のレーザ光を、第１のレーザ光と同一の光路上に第１の方向と反対の第２の方向に沿って照射しつつ、第１のレーザ光及び第２のレーザ光の波長を掃引させる。このとき、第１のレーザ光及び第２のレーザ光のうち、少なくとも一方のシース層を透過したレーザ光の光強度を計測部１４で計測する。
次に、処理部１６において、計測した光強度の信号を、変調信号を用いて、計測した光強度の変調周波数のｎ次の変調成分（ｎは自然数）を取り出す。
この後、処理部１６において、ｎ次の変調成分から、シース層中の原子において第１のレーザ光あるいは第２のレーザ光の吸収飽和が生じた吸収波長の情報を求める。さらに、処理部１６において、求めた吸収波長の情報を用いて、シース層のシース電界の強さを求める。
【００４２】
（皮膜形成装置及び皮膜形成方法）
本実施形態の皮膜形成方法では、上述の方法で求めることができるプラズマのシース電界の強さ、あるいは原子がレーザ光を吸収するときのレーザ光の計測吸収波長を用いて、処理対象部材の表面に形成された薄膜にイオンを注入するための条件を定める。イオンを注入するための条件は、処理部１６で設定される。
図５（ａ），（ｂ）は、本実施形態の皮膜形成装置５０の構成を説明する図である。皮膜形成装置５０は、図１に示す皮膜形成装置１８であってもよい。
【００４３】
皮膜形成装置５０は、処理容器５２と、プラズマ生成素子５４ａ，５４ｂ，５４ｃと、高周波電源５６ａ，５６ｂ，５６ｃと、パルス電圧源５９と、タイミング制御部６０と、スイッチ素子６２ａ，６２ｂ，６２ｃと、を主に備える。
【００４４】
処理容器５２は、アルミニウム等の材質で形成され、処理空間を内部に作る。処理容器５２には、皮膜形成用の原料ガスであり、プラズマの生成用ガスとなるガスを導入する導入管６３が設けられ、さらに、排気管６５が設けられている。導入管６３は、原料ガスのガス源６７と接続され、排気管６５は排気装置６９と接続されている。処理空間は、０．１〜１００Ｐａの減圧状態に維持できるように処理容器５２は構成されている。処理容器５２が囲む処理空間には、処理対象部材１１が配置されている。
【００４５】
プラズマ生成素子５４ａは、処理容器５２の天井の壁の外面上に設けられている。プラズマ生成素子５４ｂ，５４ｃは、処理容器５２の側壁の外面上に設けられ、プラズマ生成素子５４ｂとプラズマ生成素子５４ｃとは、互いに対向する壁面に設けられている。プラズマ生成素子５４ａ，５４ｂ，５４ｃのそれぞれは、図示されないマッチングボックスを介してスイッチ素子６２ａ，６２ｂ，６２ｃと接続されている。図５に示す実施形態では、プラズマ生成素子５４ａ〜５４ｃとしてプラズマ生成用電極板（以降、電極板という）が用いられている。以降、プラズマ生成素子の符号５４ａ，５４ｂ，５４ｃを、電極板の符号として用いる。
【００４６】
電極板５４ａ，５４ｂ，５４ｃの周囲には、処理容器５２の隔壁と絶縁するための絶縁部材６４ａ，６４ｂ，６４ｃが設けられている。
一方、電極板５４ａ，５４ｂ，５４ｃの処理空間に面する側には、誘電体６６ａ，６６ｂ，６６ｃが設けられ電極板５４ａ，５４ｂ，５４ｃを覆っている。誘電体６６ａ，６６ｂ，６６ｃには、例えば石英板が用いられる。誘電体６６ａ，６６ｂ，６６ｃを設けるのは、生成するプラズマによる電極板５４ａ，５４ｂ，５４ｃの腐食を防ぎ、かつ効率よくプラズマへエネルギーを供給するためである。
電極板５４ａ，５４ｂ，５４ｃは金属製の板材であり、例えば銅板である。電極板５４ａ，５４ｂ，５４ｃの各面のうち面積の最も大きい主表面が処理空間に向くように配置されている。電極板５４ａ，５４ｂ，５４ｃは一方向に延在し、延在方向の一端は電力が供給される給電端であり、他端は接地されて接地端となっている。電極板５４ａ，５４ｂ，５４ｃのそれぞれは、スイッチ素子６２ａ，６２ｂ，６２ｃを介して高周波電源５６ａ，５６ｂ，５６ｃと接続されている。高周波電源５６ａ，５６ｂ，５６ｃは、例えば１〜１００ＭＨｚの範囲の高周波（例えば１３．５６ＭＨｚ）を出力する。したがって、電極板５４ａ，５４ｂ，５４ｃの一端に電力が給電されると、電極板５４ａ，５４ｂ，５４ｃの主表面に沿って電流が流れ、この電流により処理空間内に高周波の磁場が形成され、この磁場によってプラズマが形成される。スイッチ素子６２ａ，６２ｂ，６２ｃは、後述するタイミング制御部６０の指示に従って給電のＯＮ／ＯＦＦを制御する。
【００４７】
本実施形態では、プラズマ生成素子として電極板５４ａ，５４ｂ，５４ｃを用いる。電極板５４ａ，５４ｂ，５４ｃは、流れる電流により高周波の磁場を生成することで、処理空間でプラズマを生成する方式であり、従来の平行平板電極による電場の形成あるいはアンテナの共振による電磁波の形成を利用してプラズマを生成する方式と異なる。電極板を用いる本実施形態の方式では、供給する電力が同じ場合、発生するプラズマ中の電子密度が他の方式に比べて高い。本実施形態のプラズマは、例えば平行平板電極を用いる方式に比べて１桁高いプラズマ中の電子密度を有する。
【００４８】
パルス電圧源５９は、電極板５４ａ，５４ｂ，５４ｃを用いて生成されるプラズマによってガスからつくられたイオンを薄膜に注入して、薄膜を皮膜にするために、プラズマの生成中、処理対象部材１１にパルス電圧を印加する。パルス電圧源５９は、ＤＣ電源５８とスイッチ素子６２ｄを有する。
ＤＣ電源５８は、ＤＣ（直流）電圧を出力する。ＤＣ電源５８は、スイッチ素子６２ｄと接続されている。スイッチ素子６２ｄは、後述するタイミング制御部２０の指示に従ってパルス電圧を出力して、処理対象部材１１にパルス電圧を印加する。すなわち、ＤＣ電源５８は、処理対象部材１１にパルス電圧を印加するための電圧を提供する。電圧は、例えば０．５〜４ｋＶである。処理対象部材１１は、処理容器５２内に設けられた基台の支持部材で支持されて、処理空間内に配置されている。処理対象部材１１は、ＤＣ電源５８とスイッチ素子６２ｄを介して接続されている。したがって、タイミング制御部６０の指示に従ってスイッチ素子６２ｄがパルス電圧を出力したとき、処理対象部材１１は、パルス電圧を印加され、この印加電圧により帯電する。これにより、処理対象部材１１へのイオン注入が開始される。
【００４９】
タイミング制御部６０は、電極板５４ａ，５４ｂ，５４ｃに供給する電力のタイミングを指示するとともに、処理対象部材１１に印加するパルス電圧のタイミングを指示する。
タイミング制御部６０は、図１に示される処理部１６のデータ処理部１６ｂと接続されている。データ処理部１６ｂは、シース電界の強さを計測期間、連続して求め、求めたシース電界の強さが、予め定めた目標のシース電界の強さになるとき、パルス電圧を印加するためのタイミング信号を生成する。このタイミング信号は、タイミング制御部６０に送られる。タイミング制御部６０は、このタイミング信号を用いて、処理対象部材１１に印加するパルス電圧の印加のタイミングをスイッチ素子６２ｄに指示する。このように、シース電界の強さに基づいて、パルス電圧の印加のタイミングを定めるのは、電極板５４ａ，５４ｂ，５４ｃに電力を供給することにより生成したプラズマＰを用いて処理対象部材１１に形成された薄膜に一様なイオンフラックスでイオンを注入するためである。したがって、皮膜を形成しようとする処理対象部材１１と同じ材質で同じ形状の事前検討用の処理対象部材１１を用いて、皮膜形成装置５０で一様な皮膜が形成されるときのシース電界の強さを上記シース電界の目標の強さとして、事前に取得しておく。本実施形態では、電極板５４ａ，５４ｂ，５４ｃのように、複数のプラズマ源を用いるので、生成されるプラズマ中の電子密度やシース電界の強さもばらつく。電子密度やシース電界の強さのばらつきは、イオン注入するときのイオンフラックスの不均一を招き易い。
このため、本実施形態では、図５（ｂ）に示すように、処理容器５２に設けられた窓５２ａ，５２ｂを通して、処理空間にレーザ光及びその反射光を導入し、レーザ飽和吸収分光法でシース電界の強さをモニタリングする。図５（ｂ）は、皮膜形成装置５０を用いたシース電界の強さの計測を説明する説明図である。図５（ｂ）では、図５（ａ）と異なる断面から見た処理容器５２の内部を示している。図５（ｂ）に示すように、レーザ照射部１２から出射したレーザ光を、窓５２ａを通して処理空間内に導入し、シース層を通過させる。更に、窓５２ｂを通して処理容器５２の外部に導き、ミラ１２ｇで反射させる。さらに、反射光は、窓５２ｂを通して処理空間に導入され、レーザ光の光路７０と同じ光路上を逆方向に進む。これにより、レーザ飽和吸収分光法が実現される。処理容器５２の外側に設けられたハーフミラ１４ｃを用いてレーザ光あるいはその反射光の透過光を取り出して、計測部１６で透過光の光強度が計測される。
【００５０】
図６は、皮膜形成装置５０でシース電界の強さを計測する一例を説明する図である。上述したように、イオン注入するときのイオンフラックスのばらつきを抑えるために、図６に示すように、複数の電極板のうち少なくとも１つの電極板、例えば電極板５４ａの電力の供給をストップして電極板５４ａによるプラズマを消滅させる一方、電極板５４ｂ，５４ｃでプラズマの生成を維持する。このとき、プラズマのシース電界の強さを求める。図６に示す例では、電極板５４ａによるプラズマの生成領域と電極板５４ｃによるプラズマの生成領域の端部において、シース電界の強さを求める。すなわち、上記端部に、レーザ光及びその反射光の光路７０が形成されるように、レーザ光及び反射光の照射位置が定められる。なお、図６では、光路７０は、図６の紙面に対して垂直方向に延びる。この状態では、電極板５４ａによるプラズマは消滅することで、プラズマ中の電荷は時間とともに変化し、これに伴って光路７０におけるシース電界は変化する。このため、シース電界の強さが目標の強さになるタイミングでパルス電圧の印加を行なう。本実施形態では、シース電界の強さを計測することにより、パルス電圧の印加のタイミングを定めるが、プラズマＰを生成するための電極板５４ｂ，５４ｃに給電する電力を調整してもよい。すなわち、本実施形態では、シース電界の強さを計測することにより、イオンを注入する条件を定める。イオンを注入する条件は、注入するイオンのエネルギーの高低を制御する条件をいい、上述したパルス電圧の印加のタイミング、パルス電圧の電圧レベル、及び、パルス電圧を印加する前の電極板５４ｂ，５４ｃ等のプラズマ生成素子に給電する電力の大きさの少なくとも１つを含む。さらに、定めたイオン注入の条件を用いて、事前検討用の処理対象部材１１に形成される皮膜と同じ膜質を有する皮膜を、事前検討用の処理対象部材１１とは異なる、皮膜を形成しようとする別の処理対象部材１１の表面に形成することができる。このとき、上述した薄膜の形成及びパルス電圧の印加を利用する。
【００５１】
目標のシース電界の強さは、例えば以下のように定めることができる。処理対象部材１１の皮膜形成前に、皮膜を形成しようとする処理対象部材１１と凡そ同じ材質、凡そ同じ形状の事前検討用の処理対象部材１１を用いて、皮膜形成装置５０において、イオン注入によって均一な膜質の皮膜が形成されるときのシース電界の強さを種々の位置で計測し、均一な膜質の皮膜が形成されるときのシース電界の強さの分布を求めておく。そして、求めたシース電界の強さの分布のうち、不均一な膜質となり易い部分近傍のシース電界の強さを目標のシース電界の強さとする。例えば、一様な膜質（厚さ、屈折率、皮膜成分の組成比率、皮膜密度、皮膜硬度等）の皮膜が形成されるときの事前検討用の処理対象部材１１周りのシース電界の強さの分布を、部材の形状毎事前にデータベース化しておく。そして、処理対象部材１１に皮膜を形成する際、皮膜を形成しようとする処理対象部材１１の形状に近い事前検討用の処理対象部材におけるシース電界の強さの分布をデータベースから取り出して、不均一な膜質となり易い部分近傍のシース電界の強さを目標のシース電界の強さとする。これにより、短時間に、処理対象部材１１に一様な膜質の皮膜を形成することができるイオン注入の条件を定めることができる。
【００５２】
事前検討用処理対象部材１１及び皮膜を形成しようとする処理対象部材１１の形状が３次元の立体形状である場合、電極板５４ａによって形成されるプラズマＰの生成領域と、電極５４ｂ，５４ｃによって形成されるプラズマＰの生成領域との境界近傍では、イオンフラックスが変化し易い。このため、上記境界におけるシース電界の強さをモニタリングすることは好ましい。形状及び材質が同じ複数の処理対象部材１１のそれぞれに皮膜を形成するために、皮膜形成装置５０を用いて１つの処理対象部材１１に皮膜を形成することを繰り返し行うとき、イオンを注入するための条件は、形状及び材質が略同じ事前検討用の処理対象部材１１におけるイオンを注入するための条件を流用している。このため、形成される皮膜の膜質は、目標膜質にならない場合がある。この場合、複数の処理対象部材１１のそれぞれに皮膜を形成することを繰り返し行う初期の段階において、シース電界の強さをモニタリングしながら、事前検討用の処理対象部材１１におけるイオンを注入するための条件を微調整することにより、皮膜が目標膜質になるようなイオンを注入するための条件を定めることもできる。
【００５３】
このように、パルス電圧の印加によって、処理対象部材１１の表面に形成された薄膜にイオンフラックスを与えて皮膜を形成するが、このとき、例えば皮膜が場所に拠らず一様な特性を有するように、イオンを注入する条件を定めるためにシース電界の強さをモニタリングする。
このようなシース電界の目標の強さ及びイオンを注入する条件の設定は、処理部１６で行われる。すなわち、処理部１６は、計測したシース電界の強さに基づいて、イオンの注入の条件を定めるように構成された制御装置でもある。
【００５４】
なお、本実施形態では、処理対象部材１１に皮膜を形成する前にシース電界の強さをモニタリングする例であるが、皮膜を形成しようとする処理対象部材１１が、上記電界の強度分布のデータベースに用いた形状及び材質と同じ形状及び材質である場合、データベース中のイオン注入の条件そのもの、例えば、パルス電圧の印加のタイミング、パルス電圧の電圧レベル、及び、パルス電圧を印加する前の電極板５４ｂ，５４ｃ等のプラズマ生成素子に給電する電力の大きさ等、を用いてもよい。
また、本実施形態では、イオンを注入する条件を、シース電界の強さから定めるが、シース電界の強さを求めるために用いるレーザ光あるいは反射光の吸収飽和が生じた計測吸収波長の情報からイオンを注入する条件を定めることもできる。
【００５５】
このような皮膜形成装置５０では、皮膜を形成する処理対象物部材１１の中心に対して異なる方向に、処理空間内のガスを用いて、電極板５４ｂ，５４ｃで第１のプラズマ及び電極板５４ａで第２のプラズマを生成することにより、処理対象物部材１１の表面に薄膜を形成する。この後、第１のプラズマの生成中、処理対象部材１１にパルス電圧を印加することにより、第１のプラズマ及び第２のプラズマによって処理空間内のガスからつくられたイオンを薄膜に注入して、薄膜を皮膜にする。処理対象部材１１にパルス電圧を印加する前に、第１のプラズマのシース層のシース電界の強さを計測する。計測したシース電界の強さに基づいて、イオンを注入する条件、例えばパルス電圧の印加のタイミング、パルス電圧を印加する前の電極板のプラズマ生成素子に給電する電力の大きさの少なくとも一方を定める。
【００５６】
なお、シース電界の強さを計測するとき、上述した本実施形態のシース電界計測方法を用いることが、シース電界の強さを容易に求めることができる点から好ましい。
また、イオンの注入の条件が、パルス電圧の印加のタイミングを定めることである場合、パルス電圧の印加のタイミングを定めるとき、皮膜を形成しようとする処理対象物部材１１と同じあるいは凡そ同じ形状の処理対象部材１１に形成される皮膜が目標膜質を有するときのシース電界の目標の強さを予めデータとして取得しておき、処理対象物部材１１に皮膜を形成するとき、計測により得られるシース電界の強さが目標の強さになるタイミングを用いてパルス電圧の印加を行なうことが、目標膜質を有する皮膜を形成することができる点から好ましい。なお、シース電界の強さが目標の強さになるタイミングを用いてパルス電圧の印加を行なうことには、シース電界の強さが目標の強さになるタイミングでパルス電圧の印加を行なうことの他に、シース電界の強さが目標の強さになるタイミングを微調整したタイミングでパルス電圧の印加を行なうことも含まれる。目標膜質とは、皮膜の目標厚さ、目標の屈折率、皮膜成分の目標の組成比率、目標皮膜密度、目標皮膜硬度を含む。
処理空間内のガスは、炭素及び水素を含むガスであることが、水素原子のバルマーα線の系列をレーザ光及びその反射光を吸収する対象とすることができる点から好ましい。
その際、処理対象部材１１に形成する皮膜は、水素を含んだダイヤモンドライクカーボンであり、計測吸収波長の情報は、シース電界により変化した水素原子の複数の計測吸収波長の少なくとも１つの情報であることが、イオンの中の条件を精度良く定める点から好ましい。この場合、上記ガスは、Ｃ２Ｈ２あるいはＣＨ４を用いることができる。イオンフラックスが一様でない場合、例えば、ダイヤモンドライクカーボン中の炭素原子における電子のｓｐ２混成軌道とｓｐ３混成軌道の比率が場所によってばらつき、硬度が場所によってばらつく。また、炭素と水素の組成比率も場所によってばらつく。このように、一様なエネルギーを有するイオンフラックスを形成させるために、パルス電圧の印加のタイミング、パルス電圧の電圧レベル、及びパルス電圧を印加する前の電極板のプラズマ生成素子に給電する電力の大きさの少なくとも一つを定めることは重要である。
【００５７】
本実施形態では、プラズマを生成するプラズマ生成素子として電極板５４ａ，５４ｂ，５４ｃを用いたが、プラズマ生成素子には特に制限は無く、渦巻き形状のアンテナ、モノポールアンテナ、あるいは平行平板電極をプラズマ生成素子として用いることもできる。
【００５８】
以上、本発明のシース電界計測方法、皮膜形成方法、シース電界計測装置、及び皮膜形成装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
【符号の説明】
【００５９】
１０  シース電界計測装置
１１  処理対象部材
１２  レーザ光照射部
１２ａ  第１ファンクションジェネレータ
１２ｂ  第２ファンクションジェネレータ
１２ｃ  レーザ光源
１２ｄ  アイソレータ
１２ｅ  コリメータ
１２ｆ，１２ｇ  ミラ
１２ｈ  減光フィルタ
１２ｉ  加算器
１４  計測部
１４ａ  検出器
１４ｂ  絞り
１４ｃ  ハーフミラ
１６  処理部
１６ａ  ロックインアンプ
１６ｂ  データ処理部
１６ｃ  情報取得部
１６ｄ  電界取得部
１８，５０  皮膜形成装置
２０  電極
２２  波形
２４，２６  ラムディップ
２８  ２次の波形成分
５２  処理容器
５２ａ，５２ｂ  窓
５４ａ，５４ｂ，５４ｃ  プラズマ生成素子（電極板）
５６ａ，５６ｂ，５６ｃ  高周波電源
５８  ＤＣ電源
６０  タイミング制御部
６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ  スイッチ素子
６３  導入管
６５  排気管
６７  ガス源
６９  排気装置
７０  光路
【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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【図６】
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