マクロパーティクルの計測方法と装置、表面処理方法と装置、および前記表面処理方法を用いて製造された製品
【課題】光っているマクロパーティクルのみならず、光っていないマクロパーティクルについても計測すること、さらにマクロパーティクルの速度分布のみならず、マクロパーティクルの粒度分布や帯電状態（正・負・中性）を計測する。
【解決手段】マクロパーティクルが通過可能な孔を有する電極をマクロパーティクルの移動方向と垂直に配置して、１つ以上の無電界空間および電界空間を形成させ、マクロパーティクルに外部光源より光を照射して粒径を計測すると共に、マクロパーティクルが無電界空間および電界空間内において所定距離を移動するために要した時間を計測し、それに基づいてマクロパーティクルの無電界空間内における速度および電界空間内における速度変化を求め、粒径に基づいて、前記マクロパーティクルの粒度分布を計測すると共に、速度および速度変化に基づいて、マクロパーティクルの速度分布および帯電状態を計測する。
【解決手段】マクロパーティクルが通過可能な孔を有する電極をマクロパーティクルの移動方向と垂直に配置して、１つ以上の無電界空間および電界空間を形成させ、マクロパーティクルに外部光源より光を照射して粒径を計測すると共に、マクロパーティクルが無電界空間および電界空間内において所定距離を移動するために要した時間を計測し、それに基づいてマクロパーティクルの無電界空間内における速度および電界空間内における速度変化を求め、粒径に基づいて、前記マクロパーティクルの粒度分布を計測すると共に、速度および速度変化に基づいて、マクロパーティクルの速度分布および帯電状態を計測する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マクロパーティクルの計測方法と装置、表面処理方法と装置、および前記表面処理方法を用いて製造された製品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
基材上に膜を形成させる技術など表面処理技術において、ＰＶＤ法やＣＶＤ法などの蒸着法がよく用いられている。
【０００３】
例えば、ＰＶＤ法の一種である真空アーク蒸着法は、プラズマ密度が高いため膜応力の制御が容易であり、また基材と膜との間の界面に基材と膜の混合層を形成することにより極めて密着性が高い膜を形成することができるという特徴を有している。しかし、その一方で、陰極から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発生し易く、このマクロパーティクルがプラズマに混じって飛来し膜中に混入すると、膜剥離が生じ易くなるという欠点も有している。
【０００４】
このため、マクロパーティクルを計測、モニターリングして、装置の運転条件の制御や管理、また定期的なメンテナンスを行う必要がある。
【０００５】
マクロパーティクルの発生を計測する具体的な方法の一例として、パルス真空アーク放電によって発生するカーボンマクロパーティクルについて、光っているマクロパーティクルの軌道をＣＣＤカメラで撮影し、その移動距離や移動方向などからマクロパーティクルの速度分布や角度分布を算出することにより、マクロパーティクルの速度計測が行われている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｔｈｏｍａｓ Ｓｃｈｕｌｋｅ、Ａｎｄｒｅ Ａｎｄｅｒｓ、「Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｍａｃｒｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｐｕｌｓｅｄ ｖａｃｕｕｍ ａｒｃｓ」、Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅｓ Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．８ （１９９９） ５６７−５７１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記の方法を含め従来の計測方法は、光っているマクロパーティクルについて計測することはできるものの、大半の光っていないマクロパーティクルについて計測することが不可能であった。また、マクロパーティクルの速度分布を計測することはできるものの、マクロパーティクルの粒度分布や帯電状態（正・負・中性）について計測することが不可能であった。
【０００８】
このように、従来の計測方法の場合、光っているマクロパーティクルについてのみ計測しているため、得られる光情報が余りにも少なく、マクロパーティクルを効率的、効果的に削減させる対策を立てることが困難であった。また、ＰＶＤ装置やＣＶＤ装置などの表面処理装置においてマクロパーティクルの発生をモニターリングしていても、モニターリング機能が不十分であるため、マクロパーティクルの増加を素速く検知することができず、マクロパーティクルが増加した状態のまま表面処理が続行され、膨大な損失を発生させる恐れがあった。
【０００９】
このため、本発明は、光っているマクロパーティクルのみならず、光っていないマクロパーティクルについても計測すること、さらにマクロパーティクルの速度分布のみならず、マクロパーティクルの粒度分布や帯電状態（正・負・中性）を計測することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以下、各請求項毎に説明する。
【００１１】
請求項１に記載の発明は、
プラズマ源により発生するプラズマに含まれるマクロパーティクルを計測するマクロパーティクルの計測方法であって、
前記マクロパーティクルが通過可能な孔を有する電極を前記マクロパーティクルの移動方向と垂直に配置して、１つ以上の無電界空間および１つ以上の電界空間を形成させ、
移動する前記マクロパーティクルに外部光源より光を照射して、前記マクロパーティクルの粒径を計測すると共に、前記マクロパーティクルが前記無電界空間および前記電界空間内において所定距離を移動するために要した時間を計測し、
計測されたそれぞれの移動距離および移動時間に基づいて、前記マクロパーティクルの前記無電界空間内における速度および前記電界空間内における速度変化を求め、
前記粒径に基づいて、前記マクロパーティクルの粒度分布を計測すると共に、
前記速度および速度変化に基づいて、前記マクロパーティクルの速度分布および帯電状態を計測する
ことを特徴とするマクロパーティクルの計測方法である。
【００１２】
マクロパーティクルはその大きさ（粒径）や帯電状態により、無電界空間内および電界空間内における速度および速度変化が異なる。このため、本請求項の発明のように、無電界空間および電界空間内における速度および速度変化を求めることにより、マクロパーティクルの速度分布および帯電状態を計測することができる。
【００１３】
具体的には、無電界空間内ではマクロパーティクルは等速度運動をしているため、マクロパーティクルが無電界空間内に予め定められた距離の始端と終端を通過する時刻を外部光源より照射した光を用いて計測することにより、移動時間を求めることができ、さらにこの移動時間と移動距離とから無電界空間内においてマクロパーティクルが移動する速度を求めることができる。そして、多くのマクロパーティクルについてこの速度を求めることにより、マクロパーティクルの速度分布を計測することができる。
【００１４】
一方、電界空間内ではマクロパーティクルは電界からの影響を受けるため、加速度運動して移動する速度が変化する。そこで、マクロパーティクルが電界空間内に予め定められた所定距離の始端と終端を通過する時刻を外部光源より照射した光を用いて計測して移動時間を求めることにより、電界空間内においてマクロパーティクルが移動する際の速度変化（加速度）を求めることができる。
【００１５】
そして、電界空間内におけるマクロパーティクルの速度変化は、マクロパーティクルの帯電状態と関係している。このため、多くのマクロパーティクルについてその速度変化を求めることにより、マクロパーティクルの帯電状態を計測することができる。
【００１６】
また、マクロパーティクルに外部光源より光を照射して、多くのマクロパーティクルについて粒径を計測することにより、マクロパーティクルの粒度分布を計測することができる。
【００１７】
そして、本請求項の発明においては、これらの計測に際して、上記のように、移動するマクロパーティクルに対して外部光源より光を照射する方法を採用している。このため、光っていないマクロパーティクルに対しても計測することが可能となり、従来の計測方法に比べて遙かに多くの光情報を得ることができる。
【００１８】
このように、本請求項の発明によれば、マクロパーティクルについての多くの光情報に基づいて、より高い精度でマクロパーティクルの速度分布、粒度分布、帯電状態の計測を行うことができるため、この計測結果に基づきマクロパーティクルの削減対策を検討することにより、マクロパーティクルの発生を効率的、効果的に削減させることができる。
【００１９】
また、これらの計測はｉｎ−ｓｉｔｕ計測することができるため、マクロパーティクルに対するモニターリング機能が大きく向上し、マクロパーティクルの増加を素速く検知することが可能となる。この結果、的確に表面処理の運転、停止を行うことができる。
【００２０】
なお、電極はマクロパーティクルの移動方向に間隔を置いて複数設けた方が好ましいが、シース電界を利用する場合には、１つであっても良い。
【００２１】
請求項２に記載の発明は、
プラズマ源により発生するプラズマに含まれるマクロパーティクルを計測するマクロパーティクルの計測方法であって、
前記マクロパーティクルが通過可能な孔を有する第１電極および第２電極を、所定の間隔を隔てて前記マクロパーティクルの移動方向と垂直に配置することにより、前記第１電極よりも上流側に無電界空間を形成させると共に、前記第１電極と前記第２電極との間に電界空間を形成させ、
移動する前記マクロパーティクルに外部光源より光を照射して、前記マクロパーティクルの粒径を計測すると共に、前記マクロパーティクルが前記無電界空間内および前記電界空間内において所定距離を移動するために要した時間を計測し、
計測されたそれぞれの移動距離および移動時間に基づいて、前記マクロパーティクルの前記無電界空間内における速度および前記電界空間内における速度変化を求め、
前記粒径に基づいて、前記マクロパーティクルの粒度分布を計測すると共に、
前記速度および速度変化に基づいて、前記マクロパーティクルの速度分布および帯電状態を計測する
ことを特徴とするマクロパーティクルの計測方法である。
【００２２】
本請求項の発明は、２つの電極を設けることにより１つの電界空間を形成して計測を行うものであり、簡易に正確で効率的に上記の優れた計測を行うことができる。
【００２３】
請求項３に記載の発明は、
前記第１電極にはプラズマ電位を設定し、前記第２電極には前記第１電極の電位よりも低いあるいは高い電位を設定し、
前記外部光源から前記マクロパーティクルへの光の照射は、前記マクロパーティクルが移動する経路の前記第１電極から所定距離手前の位置、前記第１電極に設けられた孔の位置、前記第２電極に設けられた孔の位置の３点で行う
ことを特徴とする請求項２に記載のマクロパーティクルの計測方法である。
【００２４】
本請求項の発明は、前項の発明をより具体的に規定するものであり、これら３点でマクロパーティクルの光情報を取得することにより、容易にかつ精度高く、マクロパーティクルの計測を行うことができる。
【００２５】
請求項４に記載の発明は、
前記外部光源が、レーザーであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法である。
【００２６】
レーザーは、指向性および透過性に優れているため、外部光源として好ましい。
【００２７】
請求項５に記載の発明は、
前記マクロパーティクルに照射された外部光源からの光をＣＣＤカメラにより受光して計測することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法である。
【００２８】
ＣＣＤカメラは、光に対する感度が高く、ノイズが少ないため、高い精度の光情報を取得することができる。
【００２９】
請求項６に記載の発明は、
前記マクロパーティクルに照射された外部光源からの光が、散乱光であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法である。
【００３０】
散乱光を用いることにより、通常のレーザー散乱光計測システムを利用して、容易に光情報を取得することができる。
【００３１】
請求項７に記載の発明は、
前記マクロパーティクルに照射された外部光源からの光が、回折光であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法である。
【００３２】
回折光を用いることにより、通常のレーザー回折光計測システムを利用して、容易に光情報を取得することができる。
【００３３】
請求項８に記載の発明は、
プラズマ源により発生するプラズマに含まれるマクロパーティクルを計測するマクロパーティクルの計測装置であって、
前記マクロパーティクルの移動方向と垂直に配置され、前記マクロパーティクルが通過可能な孔を有する複数の電極と、
前記電極により１つの無電界空間および１つまたは２つ以上の電界空間を形成させる複数の電源と、
移動する前記マクロパーティクルに光を照射する複数の外部光源と、
光を照射された前記マクロパーティクルからの光を受光する複数の受光手段と
が備えられており、
さらに、前記受光手段により受光された光に基づいて前記マクロパーティクルの粒径を計測する粒径計測手段と、
前記マクロパーティクルが前記無電界空間および前記電界空間内において所定距離を移動するために要した時間を計測する時間計測手段と、
前記時間計測手段により計測されたそれぞれの移動距離および移動時間に基づいて、前記マクロパーティクルの前記無電界空間内における速度および前記電界空間内における速度変化を算出する速度および速度変化算出手段と、
前記粒径に基づいて、前記マクロパーティクルの粒度分布を計測する粒度分布計測手段と、
前記速度および速度変化に基づいて、前記マクロパーティクルの速度分布および帯電状態を計測する速度分布および帯電状態計測手段と
が備えられていることを特徴とするマクロパーティクルの計測装置である。
【００３４】
本請求項の発明は、請求項１に記載のマクロパーティクルの計測方法を備えたマクロパーティクルの計測装置であり、前記したように、より高い精度でマクロパーティクルの速度分布、粒度分布、帯電状態の計測を行うことができ、マクロパーティクルの発生を効率的、効果的に削減させることができる。
【００３５】
また、高いモニターリング機能により、マクロパーティクルの増加を素速く検知して、的確に表面処理の運転、停止を行うことができる。
【００３６】
請求項９に記載の発明は、
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法を用いて、表面処理前、表面処理中、表面処理後の少なくとも１回、マクロパーティクルの計測を行うことを特徴とする表面処理方法である。
【００３７】
表面処理前、表面処理中、表面処理後の少なくとも１回、マクロパーティクルの計測を行うことにより、マクロパーティクルの発生を効率的、効果的に削減させて、高品質の表面処理を安定して行うことができる。
【００３８】
請求項１０に記載の発明は、
請求項８に記載のマクロパーティクルの計測装置を備えていることを特徴とする表面処理装置である。
【００３９】
前記したマクロパーティクルの計測装置を備えることにより、マクロパーティクルの発生を効率的、効果的に削減させることができると共に、マクロパーティクルのモニターリングを的確に行うことができる。この結果、高品質の表面処理を安定して行うことができる。
【００４０】
請求項１１に記載の発明は、
請求項９に記載の表面処理方法を用いて表面処理されていることを特徴とする製品である。
【００４１】
マクロパーティクルの発生が、効率的、効果的に削減されると共に、マクロパーティクルのモニターリングが的確に行われているため、高品質に表面処理された製品を安定して提供することができ、機械、自動車、家電製品などの部品として好適に使用することができる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、光っているマクロパーティクルのみならず、光っていないマクロパーティクルについても計測することができる。また、マクロパーティクルの速度分布のみならず、マクロパーティクルの粒度分布や帯電状態を計測することができる。
【００４３】
そして、この計測結果に基づきマクロパーティクルの削減対策を検討することにより、マクロパーティクルの発生を効率的、効果的に削減させることができる。
【００４４】
また、これらの計測はｉｎ−ｓｉｔｕ計測することができるため、マクロパーティクルに対するモニターリング機能が大きく向上し、マクロパーティクルの増加を素速く検知することが可能となり、的確に表面処理の運転、停止を行うことができる。
【００４５】
そして、このマクロパーティクルの計測方法を用いて表面処理することにより、高品質に表面処理された製品を安定して提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るマクロパーティクルの計測方法を模式的に示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るマクロパーティクルの計測方法を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るマクロパーティクル計測装置を備えた真空アーク蒸着装置を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下、本発明の実施の形態につき、具体的に説明する。
【００４８】
１．マクロパーティクルの計測方法の概要
最初に、本実施の形態に係るマクロパーティクルの計測方法の概要について説明する。図１は、本実施の形態に係るマクロパーティクルの計測方法を模式的に示す図であり、本実施の形態においてはマクロパーティクルをｉｎ−ｓｉｔｕ計測している。
【００４９】
図１において、２０は図上を右から左に移動するマクロパーティクルである。そして、３１はマクロパーティクル２０の移動方向の手前側に設けられた第１電極であり、３２は第１電極３１からマクロパーティクル２０の移動方向に沿って所定の距離（Ｌ２）を隔てて設けられた第２電極である。図１に示すように、第１電極３１および第２電極３２は、マクロパーティクル２０の移動方向に対して垂直に設けられており、各電極の中央部にはマクロパーティクル２０が通過可能な孔３１ａ、３２ａが設けられている。
【００５０】
第１電極３１および第２電極３２には、外部電源より電圧が印加されている。具体的には、第１電極３１にはその電位がプラズマ電位と同じになる電圧が、また第２電極３２には第１電極３１よりＶ（ボルト）低い電位になる電圧が印加されている。なお、プラズマ電位については、予めシングルプローブ法により測定しておく。
【００５１】
そして、第１電極３１の手前側の所定距離（Ｌ１）の地点Ａ、第１電極３１の孔３１ａの入口地点Ｂ、第２電極３２の孔３２ａの出口地点Ｃでは、通過するマクロパーティクル２０に対して、図示しない外部光源よりレーザー光３５ａ、３６ａ、３７ａが照射されている。照射された各レーザー光はマクロパーティクル２０と衝突した後、散乱光３５ｂ、３６ｂ、３７ｂを生じる。
【００５２】
各散乱光は、図示しないＣＣＤカメラにより検出され、レーザー散乱光計測システムによって、通過するマクロパーティクル２０の粒径が計測され、さらに粒径分布が計測される。
【００５３】
２．マクロパーティクルの計測方法の原理
次に、本実施の形態に係るマクロパーティクルの計測方法の原理について説明する。移動するマクロパーティクル２０は、第１電極３１の孔３１ａの手前側では、この空間が無電界空間であるため、等速度運動をする。
【００５４】
しかし、第１電極３１と第２電極３２の間には電界空間が形成されているため、この空間を移動するマクロパーティクル２０は加速度運動をする。例えば、マクロパーティクル２０が正イオンの場合には加速され、負イオンの場合には減速される。中性の場合には電界空間からの影響を受けないため、前記した等速度運動をするが、ここでは、加速度を０と考え、この場合も加速度運動をするとして考える。
【００５５】
具体的には、地点Ａ、Ｂ、Ｃにおいて、レーザー散乱光が計測された時間をそれぞれｔ１（ｓｅｃ）、ｔ２（ｓｅｃ）、ｔ３（ｓｅｃ）とし、第１電極３１の右側で等速度運動をするマクロパーティクル２０の速度をｖ１（ｍ／ｓｅｃ）とし、第２電極３２を通過した直後のマクロパーティクル２０の速度をｖ２（ｍ／ｓｅｃ）とした場合、下記の（１）式が成り立つ。そして、この計測に基づき、マクロパーティクル２０の速度分布が計測される。
【００５６】
【数１】
【００５７】
また、第１電極３１と第２電極３２の間における加速度運動の加速度をａ（ｍ／ｓｅｃ２）とすると、下記の（２）式が成り立つ。
【００５８】
【数２】
【００５９】
この結果、上記（１）式および（２）式より、加速度ａは（３）式として求められる。
【００６０】
【数３】
【００６１】
さらに、マクロパーティクル２０の質量をｍ（ｋｇ）、価数をＺ、電気素量をｅ（Ｃ）とすると、第１電極３１と第２電極３２との間における運動方程式は、下記の（４）式のようになる。
【００６２】
【数４】
【００６３】
従って、（３）式および（４）式より、（５）式が成り立つ。
【００６４】
【数５】
【００６５】
一方、レーザー散乱光計測によって得られたマクロパーティクル２０の粒径（直径）をｄ（ｍ）、マクロパーティクル２０の密度をρ（ｋｇ／ｍ３）とすると、マクロパーティクル２０の質量ｍ（ｋｇ）は、下記の（６）式によって求めることができる。
【００６６】
【数６】
【００６７】
よって、（５）式および（６）式よりマクロパーティクル２０の価数Ｚは、下記の（７）式により求めることができる。
【００６８】
【数７】
【００６９】
この（７）式を用いることにより、マクロパーティクル２０の帯電状態について、価数のみならず、マクロパーティクル２０が正、負、中性のいずれであるかも算出することができる。
【００７０】
即ち、例えば、Ｚ＝３であった場合、マクロパーティクル２０は正イオンでその価数は３となる。そして、Ｚ＝−５であった場合、マクロパーティクル２０は負イオンでその価数は５となる。また、Ｚ＝０であった場合、マクロパーティクル２０は中性粒子ということになる。
【００７１】
以上のように、本計測方法を用いることにより、第１電極３１および第２電極３２間を通過するほぼ全てのマクロパーティクル２０を対象として、マクロパーティクル２０の粒度、速度のみならず、帯電状態、すなわち正、負、中性のいずれであるかを計測し、さらにイオンの場合はその価数までをｉｎ−ｓｉｔｕ計測することができる。
【００７２】
このため、後述するように本計測方法を表面処理装置に適用した場合、マクロパーティクルの発生源を特定しやすくなり、重点的、効率的なメンテナンスが可能になる。さらにモニターリング機能が大きく向上するため、表面処理装置の安定した運用が可能になる。
【００７３】
３．他の形態
前記の形態においては、Ａ、Ｂ、Ｃの３地点でレーザー散乱光の計測を行っているが、実際のレーザー散乱光計測においては、レーザーやＣＣＤカメラなどの設置における制限や、ＣＣＤカメラによる検出のサンプリングレートが有限の値であることから、第１地点Ａでの計測は可能であっても、第１電極３１の入口付近の第２地点Ｂや第２電極３２の出口付近の第３地点Ｃでは計測ができない場合がある。
【００７４】
そこで、本形態においては、前記の形態における第２地点Ｂ、第３地点Ｃに替えて、新たな第２地点Ｄおよび第３地点Ｅを設けることにより、同様の計測を行っている。
【００７５】
図２は、本形態に係るマクロパーティクルの計測方法を模式的に示す図であり、図１に示した第２地点Ｂよりも手前側に第２地点Ｄを設け（第１地点Ａとの距離：Ｌ３）、さらに、第１電極３１と第２電極３２の間で図１に示した第３地点Ｃよりも手前側に第３地点Ｅを設けている（第１電極３１との距離：Ｌ４）。
【００７６】
地点Ａ、Ｄ、Ｅにおいて、レーザー散乱光が計測された時間をそれぞれｔ１（ｓｅｃ）、ｔ４（ｓｅｃ）、ｔ５（ｓｅｃ）とし、第１電極３１の右側で等速度運動をするマクロパーティクル２０の速度をｖ１（ｍ／ｓｅｃ）とし、第２電極３２を通過した直後のマクロパーティクル２０の速度をｖ２（ｍ／ｓｅｃ）とすると、第１の実施の形態と同様に、下記の（８）式および（９）式が成り立つ。
【００７７】
【数８】
【００７８】
【数９】
【００７９】
このように、レーザー散乱光計測を電極３１、３２の近傍で行なえない場合であっても、前記の形態の場合と同様に、マクロパーティクル２０の粒度分布、速度分布、耐電状態を計測することができる。
【００８０】
４．マクロパーティクルの計測方法を表面処理装置に適用した例
次に、上記したマクロパーティクルの計測方法を表面処理装置に適用した例として、真空アーク蒸着装置を示す。
【００８１】
図３は、本実施の形態に係る真空アーク蒸着装置を模式的に示す図であり、図３に示すように、真空アーク蒸着装置１０は、真空チャンバ１１と、マクロパーティクルの計測装置３０とを備えている。
【００８２】
真空チャンバ１１は、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系によって所定の真空度にまで真空排気される。その後、基材１３と蒸発材料で構成された陰極１２との間に、図示しない直流電源によってアーク放電を開始させてプラズマ１５を発生させる。これにより、陰極１２から蒸発材料を蒸発させて基材１３に成膜を行なう。
【００８３】
具体的な一例として、陰極１２の蒸発材料としてチタンを用い、真空チャンバ１１内に窒素ガスを導入することにより、基材１３上には窒化チタンが成膜される。
【００８４】
真空チャンバ１１は、レーザー光を透過可能で、かつ、散乱光又は回折光を透過可能なビューポート１４を有している。
【００８５】
真空アーク蒸着法は、プラズマ密度が高いため、膜応力の制御が容易であり、また基材１３と成膜層との間の界面に混合層を形成することによって、極めて密着性の高い膜の形成が可能になる。
【００８６】
一方、陰極１２からは、マクロパーティクルが発生し易く、このマクロパーティクルがプラズマ１５に混じって飛来し、膜中に混入することによって膜剥離を生じやすくなるという欠点があるため、真空アーク蒸着装置の運転条件の制御や管理、定期的なメンテナンスが必要になり、マクロパーティクルを計測するモニターリング機能が必要になる。
【００８７】
具体的には、マクロパーティクルの計測装置３０を用いてマクロパーティクル２０を計測し、所定のマクロパーティクル数以下であれば、成膜を実施する。
【００８８】
マクロパーティクルの計測装置３０は、上記したように、第１電極３１と、第２電極３２と、第１電極３１に電圧を印加する第１電源３３と、第２電極３２に電圧を印加する第２電源３４とを備えている。
【００８９】
第１電極３１および第２電極３２は、マクロパーティクル２０が通過可能な孔３１ａ、３２ａ（図１参照）を有する板状の電極で、互いに所定の間隔を隔てて配置されている。
【００９０】
第１電極３１は、基材１３の近傍であってビューポート１４を通して真空チャンバ１１の外部から光を照射可能な位置に配置されている。第２電極３２は、第１電極３１からマクロパーティクル２０の進行方向、すなわち陰極１２から基材１３に向かう方向に所定の間隔を隔てて配置されている。
【００９１】
第１電源３３は、第１電極３１に対してプラズマ電位になる電圧が印加され、第２電源３４は、第２電極３２に対して第１電極３１よりも高い電位になる電圧が印加される。
【００９２】
マクロパーティクル計測装置３０は、さらに、第１〜第３のレーザー光源３５、３６、３７と、第１および第２のＣＣＤカメラ３８、３９とを備えており、第１および第２のＣＣＤカメラ３８、３９はコンピュータ４０に接続されている。
【００９３】
コンピュータ４０には、前記したｔ１、ｔ２、ｔ３などを計測する時間計測手段、速度および速度変化を算出する速度および速度変化算出手段、粒度分布を計測する粒度分布計測手段、速度分布および帯電状態を計測する速度分布および帯電状態計測手段がプログラムとして予め内蔵されている。
【００９４】
第１〜第３のレーザー光源３５、３６、３７は、真空チャンバ１１のビューポート１４を通してマクロパーティクル２０に光を照射するものであり、マクロパーティクル２０が反射する反射光（例えば、散乱光、回折光）は、第１および第２のＣＣＤカメラ３８、３９によって撮影してマクロパーティクル２０の粒径が計測される。
【００９５】
そして、上記のように、（１）式および（７）式、あるいは（８）式および（９）式を用いてマクロパーティクルの速度分布および帯電状態が算出される。
【００９６】
クルマクロパーティクル２０の計測後、マクロパーティクル２０の発生量が所定のマクロパーティクル数以下であれば成膜を実施することになるが、成膜中は、マクロパーティクル数を常時、あるいは一定時間間隔などで計測を行ない、成膜中のマクロパーティクルの発生量を監視する。
【００９７】
成膜前におけるマクロパーティクル２０の計測によってマクロパーティクル２０が所定のマクロパーティクル数以上であれば、成膜を行なわないで真空アーク蒸着装置１０のメンテナンスを行なうことになるが、マクロパーティクル数の推移をデータベース化することによって、メンテナンスサイクルなどは予測することが可能になり、効率的な装置管理、生産管理ができる。
【００９８】
また、真空アーク蒸着装置１０において、マクロパーティクル２０の発生源は陰極１２が主な発生源になるが、真空チャンバ１１の内壁などに付着堆積した膜が剥がれた場合も発生の原因となる。
【００９９】
通常、これらのマクロパーティクル２０は、真空チャンバ１１内のプラズマ１５空間を経て基材１３に到着して付着すると考えられ、マクロパーティクル２０がプラズマ１５空間を運動する場合、プラズマ１５中の電子が付着して負に帯電する。
【０１００】
そして、マクロパーティクル２０の移動時間（移動距離）が長いほど、負に帯電していくため、負に帯電したマクロパーティクル２０は基材１３から比較的遠い位置に発生個所がある可能性が高い。
【０１０１】
逆に、正に帯電したマクロパーティクル２０は、基材１３から遠い位置が発生個所であれば、基材１３までの運動中にプラズマ中の電子が付着して負に帯電することになると考えられる。このため、正に帯電したマクロパーティクル２０が正に帯電したままで計測されれば、マクロパーティクル２０は基材１３から比較的近い位置で発生している可能性が高くなる。
【０１０２】
このように、マクロパーティクル２０がどのように帯電しているかをモニターリングすることにより、マクロパーティクル２０の発生箇所をある程度特定することが可能となる。このため、真空アーク蒸着装置１０を重点的かつ効率的にメンテナンスすることができ、成膜プロセスを、効率的かつ高い生産性の下で運用できるようになる。
【０１０３】
以上、真空アーク蒸着装置を例に挙げて説明したが、本実施の形態において示したマクロパーティクルの計測は、他のＰＶＤ法やＣＶＤ法などの他の蒸着装置や半導体エッチング装置など、マクロパーティクルが発生し得る表面処理装置全てに対して適用可能である。
【０１０４】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【０１０５】
１０ 真空アーク蒸着装置
１１ 真空チャンバ
１２ 陰極
１３ 基材
１４ ビューポート
１５ プラズマ
２０ マクロパーティクル
３０ マクロパーティクルの計測装置
３１ 第１電極
３１ａ 第１電極の孔
３２ 第２電極
３２ａ 第２電極の孔
３３ 第１電源
３４ 第２電源
３５ 第１レーザー光源
３６ 第２レーザー光源
３７ 第３レーザー光源
３５ａ、３６ａ、３７ａ レーザー光
３５ｂ、３６ｂ、３７ｂ 散乱光
３８ 第１のＣＣＤカメラ
３９ 第２のＣＣＤカメラ
４０ コンピュータ
Ａ 第１地点
Ｂ、Ｄ 第２地点
Ｃ、Ｅ 第３地点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マクロパーティクルの計測方法と装置、表面処理方法と装置、および前記表面処理方法を用いて製造された製品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
基材上に膜を形成させる技術など表面処理技術において、ＰＶＤ法やＣＶＤ法などの蒸着法がよく用いられている。
【０００３】
例えば、ＰＶＤ法の一種である真空アーク蒸着法は、プラズマ密度が高いため膜応力の制御が容易であり、また基材と膜との間の界面に基材と膜の混合層を形成することにより極めて密着性が高い膜を形成することができるという特徴を有している。しかし、その一方で、陰極から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発生し易く、このマクロパーティクルがプラズマに混じって飛来し膜中に混入すると、膜剥離が生じ易くなるという欠点も有している。
【０００４】
このため、マクロパーティクルを計測、モニターリングして、装置の運転条件の制御や管理、また定期的なメンテナンスを行う必要がある。
【０００５】
マクロパーティクルの発生を計測する具体的な方法の一例として、パルス真空アーク放電によって発生するカーボンマクロパーティクルについて、光っているマクロパーティクルの軌道をＣＣＤカメラで撮影し、その移動距離や移動方向などからマクロパーティクルの速度分布や角度分布を算出することにより、マクロパーティクルの速度計測が行われている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｔｈｏｍａｓ Ｓｃｈｕｌｋｅ、Ａｎｄｒｅ Ａｎｄｅｒｓ、「Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｍａｃｒｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｐｕｌｓｅｄ ｖａｃｕｕｍ ａｒｃｓ」、Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅｓ Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．８ （１９９９） ５６７−５７１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記の方法を含め従来の計測方法は、光っているマクロパーティクルについて計測することはできるものの、大半の光っていないマクロパーティクルについて計測することが不可能であった。また、マクロパーティクルの速度分布を計測することはできるものの、マクロパーティクルの粒度分布や帯電状態（正・負・中性）について計測することが不可能であった。
【０００８】
このように、従来の計測方法の場合、光っているマクロパーティクルについてのみ計測しているため、得られる光情報が余りにも少なく、マクロパーティクルを効率的、効果的に削減させる対策を立てることが困難であった。また、ＰＶＤ装置やＣＶＤ装置などの表面処理装置においてマクロパーティクルの発生をモニターリングしていても、モニターリング機能が不十分であるため、マクロパーティクルの増加を素速く検知することができず、マクロパーティクルが増加した状態のまま表面処理が続行され、膨大な損失を発生させる恐れがあった。
【０００９】
このため、本発明は、光っているマクロパーティクルのみならず、光っていないマクロパーティクルについても計測すること、さらにマクロパーティクルの速度分布のみならず、マクロパーティクルの粒度分布や帯電状態（正・負・中性）を計測することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以下、各請求項毎に説明する。
【００１１】
請求項１に記載の発明は、
プラズマ源により発生するプラズマに含まれるマクロパーティクルを計測するマクロパーティクルの計測方法であって、
前記マクロパーティクルが通過可能な孔を有する電極を前記マクロパーティクルの移動方向と垂直に配置して、１つ以上の無電界空間および１つ以上の電界空間を形成させ、
移動する前記マクロパーティクルに外部光源より光を照射して、前記マクロパーティクルの粒径を計測すると共に、前記マクロパーティクルが前記無電界空間および前記電界空間内において所定距離を移動するために要した時間を計測し、
計測されたそれぞれの移動距離および移動時間に基づいて、前記マクロパーティクルの前記無電界空間内における速度および前記電界空間内における速度変化を求め、
前記粒径に基づいて、前記マクロパーティクルの粒度分布を計測すると共に、
前記速度および速度変化に基づいて、前記マクロパーティクルの速度分布および帯電状態を計測する
ことを特徴とするマクロパーティクルの計測方法である。
【００１２】
マクロパーティクルはその大きさ（粒径）や帯電状態により、無電界空間内および電界空間内における速度および速度変化が異なる。このため、本請求項の発明のように、無電界空間および電界空間内における速度および速度変化を求めることにより、マクロパーティクルの速度分布および帯電状態を計測することができる。
【００１３】
具体的には、無電界空間内ではマクロパーティクルは等速度運動をしているため、マクロパーティクルが無電界空間内に予め定められた距離の始端と終端を通過する時刻を外部光源より照射した光を用いて計測することにより、移動時間を求めることができ、さらにこの移動時間と移動距離とから無電界空間内においてマクロパーティクルが移動する速度を求めることができる。そして、多くのマクロパーティクルについてこの速度を求めることにより、マクロパーティクルの速度分布を計測することができる。
【００１４】
一方、電界空間内ではマクロパーティクルは電界からの影響を受けるため、加速度運動して移動する速度が変化する。そこで、マクロパーティクルが電界空間内に予め定められた所定距離の始端と終端を通過する時刻を外部光源より照射した光を用いて計測して移動時間を求めることにより、電界空間内においてマクロパーティクルが移動する際の速度変化（加速度）を求めることができる。
【００１５】
そして、電界空間内におけるマクロパーティクルの速度変化は、マクロパーティクルの帯電状態と関係している。このため、多くのマクロパーティクルについてその速度変化を求めることにより、マクロパーティクルの帯電状態を計測することができる。
【００１６】
また、マクロパーティクルに外部光源より光を照射して、多くのマクロパーティクルについて粒径を計測することにより、マクロパーティクルの粒度分布を計測することができる。
【００１７】
そして、本請求項の発明においては、これらの計測に際して、上記のように、移動するマクロパーティクルに対して外部光源より光を照射する方法を採用している。このため、光っていないマクロパーティクルに対しても計測することが可能となり、従来の計測方法に比べて遙かに多くの光情報を得ることができる。
【００１８】
このように、本請求項の発明によれば、マクロパーティクルについての多くの光情報に基づいて、より高い精度でマクロパーティクルの速度分布、粒度分布、帯電状態の計測を行うことができるため、この計測結果に基づきマクロパーティクルの削減対策を検討することにより、マクロパーティクルの発生を効率的、効果的に削減させることができる。
【００１９】
また、これらの計測はｉｎ−ｓｉｔｕ計測することができるため、マクロパーティクルに対するモニターリング機能が大きく向上し、マクロパーティクルの増加を素速く検知することが可能となる。この結果、的確に表面処理の運転、停止を行うことができる。
【００２０】
なお、電極はマクロパーティクルの移動方向に間隔を置いて複数設けた方が好ましいが、シース電界を利用する場合には、１つであっても良い。
【００２１】
請求項２に記載の発明は、
プラズマ源により発生するプラズマに含まれるマクロパーティクルを計測するマクロパーティクルの計測方法であって、
前記マクロパーティクルが通過可能な孔を有する第１電極および第２電極を、所定の間隔を隔てて前記マクロパーティクルの移動方向と垂直に配置することにより、前記第１電極よりも上流側に無電界空間を形成させると共に、前記第１電極と前記第２電極との間に電界空間を形成させ、
移動する前記マクロパーティクルに外部光源より光を照射して、前記マクロパーティクルの粒径を計測すると共に、前記マクロパーティクルが前記無電界空間内および前記電界空間内において所定距離を移動するために要した時間を計測し、
計測されたそれぞれの移動距離および移動時間に基づいて、前記マクロパーティクルの前記無電界空間内における速度および前記電界空間内における速度変化を求め、
前記粒径に基づいて、前記マクロパーティクルの粒度分布を計測すると共に、
前記速度および速度変化に基づいて、前記マクロパーティクルの速度分布および帯電状態を計測する
ことを特徴とするマクロパーティクルの計測方法である。
【００２２】
本請求項の発明は、２つの電極を設けることにより１つの電界空間を形成して計測を行うものであり、簡易に正確で効率的に上記の優れた計測を行うことができる。
【００２３】
請求項３に記載の発明は、
前記第１電極にはプラズマ電位を設定し、前記第２電極には前記第１電極の電位よりも低いあるいは高い電位を設定し、
前記外部光源から前記マクロパーティクルへの光の照射は、前記マクロパーティクルが移動する経路の前記第１電極から所定距離手前の位置、前記第１電極に設けられた孔の位置、前記第２電極に設けられた孔の位置の３点で行う
ことを特徴とする請求項２に記載のマクロパーティクルの計測方法である。
【００２４】
本請求項の発明は、前項の発明をより具体的に規定するものであり、これら３点でマクロパーティクルの光情報を取得することにより、容易にかつ精度高く、マクロパーティクルの計測を行うことができる。
【００２５】
請求項４に記載の発明は、
前記外部光源が、レーザーであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法である。
【００２６】
レーザーは、指向性および透過性に優れているため、外部光源として好ましい。
【００２７】
請求項５に記載の発明は、
前記マクロパーティクルに照射された外部光源からの光をＣＣＤカメラにより受光して計測することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法である。
【００２８】
ＣＣＤカメラは、光に対する感度が高く、ノイズが少ないため、高い精度の光情報を取得することができる。
【００２９】
請求項６に記載の発明は、
前記マクロパーティクルに照射された外部光源からの光が、散乱光であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法である。
【００３０】
散乱光を用いることにより、通常のレーザー散乱光計測システムを利用して、容易に光情報を取得することができる。
【００３１】
請求項７に記載の発明は、
前記マクロパーティクルに照射された外部光源からの光が、回折光であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法である。
【００３２】
回折光を用いることにより、通常のレーザー回折光計測システムを利用して、容易に光情報を取得することができる。
【００３３】
請求項８に記載の発明は、
プラズマ源により発生するプラズマに含まれるマクロパーティクルを計測するマクロパーティクルの計測装置であって、
前記マクロパーティクルの移動方向と垂直に配置され、前記マクロパーティクルが通過可能な孔を有する複数の電極と、
前記電極により１つの無電界空間および１つまたは２つ以上の電界空間を形成させる複数の電源と、
移動する前記マクロパーティクルに光を照射する複数の外部光源と、
光を照射された前記マクロパーティクルからの光を受光する複数の受光手段と
が備えられており、
さらに、前記受光手段により受光された光に基づいて前記マクロパーティクルの粒径を計測する粒径計測手段と、
前記マクロパーティクルが前記無電界空間および前記電界空間内において所定距離を移動するために要した時間を計測する時間計測手段と、
前記時間計測手段により計測されたそれぞれの移動距離および移動時間に基づいて、前記マクロパーティクルの前記無電界空間内における速度および前記電界空間内における速度変化を算出する速度および速度変化算出手段と、
前記粒径に基づいて、前記マクロパーティクルの粒度分布を計測する粒度分布計測手段と、
前記速度および速度変化に基づいて、前記マクロパーティクルの速度分布および帯電状態を計測する速度分布および帯電状態計測手段と
が備えられていることを特徴とするマクロパーティクルの計測装置である。
【００３４】
本請求項の発明は、請求項１に記載のマクロパーティクルの計測方法を備えたマクロパーティクルの計測装置であり、前記したように、より高い精度でマクロパーティクルの速度分布、粒度分布、帯電状態の計測を行うことができ、マクロパーティクルの発生を効率的、効果的に削減させることができる。
【００３５】
また、高いモニターリング機能により、マクロパーティクルの増加を素速く検知して、的確に表面処理の運転、停止を行うことができる。
【００３６】
請求項９に記載の発明は、
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法を用いて、表面処理前、表面処理中、表面処理後の少なくとも１回、マクロパーティクルの計測を行うことを特徴とする表面処理方法である。
【００３７】
表面処理前、表面処理中、表面処理後の少なくとも１回、マクロパーティクルの計測を行うことにより、マクロパーティクルの発生を効率的、効果的に削減させて、高品質の表面処理を安定して行うことができる。
【００３８】
請求項１０に記載の発明は、
請求項８に記載のマクロパーティクルの計測装置を備えていることを特徴とする表面処理装置である。
【００３９】
前記したマクロパーティクルの計測装置を備えることにより、マクロパーティクルの発生を効率的、効果的に削減させることができると共に、マクロパーティクルのモニターリングを的確に行うことができる。この結果、高品質の表面処理を安定して行うことができる。
【００４０】
請求項１１に記載の発明は、
請求項９に記載の表面処理方法を用いて表面処理されていることを特徴とする製品である。
【００４１】
マクロパーティクルの発生が、効率的、効果的に削減されると共に、マクロパーティクルのモニターリングが的確に行われているため、高品質に表面処理された製品を安定して提供することができ、機械、自動車、家電製品などの部品として好適に使用することができる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、光っているマクロパーティクルのみならず、光っていないマクロパーティクルについても計測することができる。また、マクロパーティクルの速度分布のみならず、マクロパーティクルの粒度分布や帯電状態を計測することができる。
【００４３】
そして、この計測結果に基づきマクロパーティクルの削減対策を検討することにより、マクロパーティクルの発生を効率的、効果的に削減させることができる。
【００４４】
また、これらの計測はｉｎ−ｓｉｔｕ計測することができるため、マクロパーティクルに対するモニターリング機能が大きく向上し、マクロパーティクルの増加を素速く検知することが可能となり、的確に表面処理の運転、停止を行うことができる。
【００４５】
そして、このマクロパーティクルの計測方法を用いて表面処理することにより、高品質に表面処理された製品を安定して提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るマクロパーティクルの計測方法を模式的に示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るマクロパーティクルの計測方法を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るマクロパーティクル計測装置を備えた真空アーク蒸着装置を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下、本発明の実施の形態につき、具体的に説明する。
【００４８】
１．マクロパーティクルの計測方法の概要
最初に、本実施の形態に係るマクロパーティクルの計測方法の概要について説明する。図１は、本実施の形態に係るマクロパーティクルの計測方法を模式的に示す図であり、本実施の形態においてはマクロパーティクルをｉｎ−ｓｉｔｕ計測している。
【００４９】
図１において、２０は図上を右から左に移動するマクロパーティクルである。そして、３１はマクロパーティクル２０の移動方向の手前側に設けられた第１電極であり、３２は第１電極３１からマクロパーティクル２０の移動方向に沿って所定の距離（Ｌ２）を隔てて設けられた第２電極である。図１に示すように、第１電極３１および第２電極３２は、マクロパーティクル２０の移動方向に対して垂直に設けられており、各電極の中央部にはマクロパーティクル２０が通過可能な孔３１ａ、３２ａが設けられている。
【００５０】
第１電極３１および第２電極３２には、外部電源より電圧が印加されている。具体的には、第１電極３１にはその電位がプラズマ電位と同じになる電圧が、また第２電極３２には第１電極３１よりＶ（ボルト）低い電位になる電圧が印加されている。なお、プラズマ電位については、予めシングルプローブ法により測定しておく。
【００５１】
そして、第１電極３１の手前側の所定距離（Ｌ１）の地点Ａ、第１電極３１の孔３１ａの入口地点Ｂ、第２電極３２の孔３２ａの出口地点Ｃでは、通過するマクロパーティクル２０に対して、図示しない外部光源よりレーザー光３５ａ、３６ａ、３７ａが照射されている。照射された各レーザー光はマクロパーティクル２０と衝突した後、散乱光３５ｂ、３６ｂ、３７ｂを生じる。
【００５２】
各散乱光は、図示しないＣＣＤカメラにより検出され、レーザー散乱光計測システムによって、通過するマクロパーティクル２０の粒径が計測され、さらに粒径分布が計測される。
【００５３】
２．マクロパーティクルの計測方法の原理
次に、本実施の形態に係るマクロパーティクルの計測方法の原理について説明する。移動するマクロパーティクル２０は、第１電極３１の孔３１ａの手前側では、この空間が無電界空間であるため、等速度運動をする。
【００５４】
しかし、第１電極３１と第２電極３２の間には電界空間が形成されているため、この空間を移動するマクロパーティクル２０は加速度運動をする。例えば、マクロパーティクル２０が正イオンの場合には加速され、負イオンの場合には減速される。中性の場合には電界空間からの影響を受けないため、前記した等速度運動をするが、ここでは、加速度を０と考え、この場合も加速度運動をするとして考える。
【００５５】
具体的には、地点Ａ、Ｂ、Ｃにおいて、レーザー散乱光が計測された時間をそれぞれｔ１（ｓｅｃ）、ｔ２（ｓｅｃ）、ｔ３（ｓｅｃ）とし、第１電極３１の右側で等速度運動をするマクロパーティクル２０の速度をｖ１（ｍ／ｓｅｃ）とし、第２電極３２を通過した直後のマクロパーティクル２０の速度をｖ２（ｍ／ｓｅｃ）とした場合、下記の（１）式が成り立つ。そして、この計測に基づき、マクロパーティクル２０の速度分布が計測される。
【００５６】
【数１】
【００５７】
また、第１電極３１と第２電極３２の間における加速度運動の加速度をａ（ｍ／ｓｅｃ２）とすると、下記の（２）式が成り立つ。
【００５８】
【数２】
【００５９】
この結果、上記（１）式および（２）式より、加速度ａは（３）式として求められる。
【００６０】
【数３】
【００６１】
さらに、マクロパーティクル２０の質量をｍ（ｋｇ）、価数をＺ、電気素量をｅ（Ｃ）とすると、第１電極３１と第２電極３２との間における運動方程式は、下記の（４）式のようになる。
【００６２】
【数４】
【００６３】
従って、（３）式および（４）式より、（５）式が成り立つ。
【００６４】
【数５】
【００６５】
一方、レーザー散乱光計測によって得られたマクロパーティクル２０の粒径（直径）をｄ（ｍ）、マクロパーティクル２０の密度をρ（ｋｇ／ｍ３）とすると、マクロパーティクル２０の質量ｍ（ｋｇ）は、下記の（６）式によって求めることができる。
【００６６】
【数６】
【００６７】
よって、（５）式および（６）式よりマクロパーティクル２０の価数Ｚは、下記の（７）式により求めることができる。
【００６８】
【数７】
【００６９】
この（７）式を用いることにより、マクロパーティクル２０の帯電状態について、価数のみならず、マクロパーティクル２０が正、負、中性のいずれであるかも算出することができる。
【００７０】
即ち、例えば、Ｚ＝３であった場合、マクロパーティクル２０は正イオンでその価数は３となる。そして、Ｚ＝−５であった場合、マクロパーティクル２０は負イオンでその価数は５となる。また、Ｚ＝０であった場合、マクロパーティクル２０は中性粒子ということになる。
【００７１】
以上のように、本計測方法を用いることにより、第１電極３１および第２電極３２間を通過するほぼ全てのマクロパーティクル２０を対象として、マクロパーティクル２０の粒度、速度のみならず、帯電状態、すなわち正、負、中性のいずれであるかを計測し、さらにイオンの場合はその価数までをｉｎ−ｓｉｔｕ計測することができる。
【００７２】
このため、後述するように本計測方法を表面処理装置に適用した場合、マクロパーティクルの発生源を特定しやすくなり、重点的、効率的なメンテナンスが可能になる。さらにモニターリング機能が大きく向上するため、表面処理装置の安定した運用が可能になる。
【００７３】
３．他の形態
前記の形態においては、Ａ、Ｂ、Ｃの３地点でレーザー散乱光の計測を行っているが、実際のレーザー散乱光計測においては、レーザーやＣＣＤカメラなどの設置における制限や、ＣＣＤカメラによる検出のサンプリングレートが有限の値であることから、第１地点Ａでの計測は可能であっても、第１電極３１の入口付近の第２地点Ｂや第２電極３２の出口付近の第３地点Ｃでは計測ができない場合がある。
【００７４】
そこで、本形態においては、前記の形態における第２地点Ｂ、第３地点Ｃに替えて、新たな第２地点Ｄおよび第３地点Ｅを設けることにより、同様の計測を行っている。
【００７５】
図２は、本形態に係るマクロパーティクルの計測方法を模式的に示す図であり、図１に示した第２地点Ｂよりも手前側に第２地点Ｄを設け（第１地点Ａとの距離：Ｌ３）、さらに、第１電極３１と第２電極３２の間で図１に示した第３地点Ｃよりも手前側に第３地点Ｅを設けている（第１電極３１との距離：Ｌ４）。
【００７６】
地点Ａ、Ｄ、Ｅにおいて、レーザー散乱光が計測された時間をそれぞれｔ１（ｓｅｃ）、ｔ４（ｓｅｃ）、ｔ５（ｓｅｃ）とし、第１電極３１の右側で等速度運動をするマクロパーティクル２０の速度をｖ１（ｍ／ｓｅｃ）とし、第２電極３２を通過した直後のマクロパーティクル２０の速度をｖ２（ｍ／ｓｅｃ）とすると、第１の実施の形態と同様に、下記の（８）式および（９）式が成り立つ。
【００７７】
【数８】
【００７８】
【数９】
【００７９】
このように、レーザー散乱光計測を電極３１、３２の近傍で行なえない場合であっても、前記の形態の場合と同様に、マクロパーティクル２０の粒度分布、速度分布、耐電状態を計測することができる。
【００８０】
４．マクロパーティクルの計測方法を表面処理装置に適用した例
次に、上記したマクロパーティクルの計測方法を表面処理装置に適用した例として、真空アーク蒸着装置を示す。
【００８１】
図３は、本実施の形態に係る真空アーク蒸着装置を模式的に示す図であり、図３に示すように、真空アーク蒸着装置１０は、真空チャンバ１１と、マクロパーティクルの計測装置３０とを備えている。
【００８２】
真空チャンバ１１は、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系によって所定の真空度にまで真空排気される。その後、基材１３と蒸発材料で構成された陰極１２との間に、図示しない直流電源によってアーク放電を開始させてプラズマ１５を発生させる。これにより、陰極１２から蒸発材料を蒸発させて基材１３に成膜を行なう。
【００８３】
具体的な一例として、陰極１２の蒸発材料としてチタンを用い、真空チャンバ１１内に窒素ガスを導入することにより、基材１３上には窒化チタンが成膜される。
【００８４】
真空チャンバ１１は、レーザー光を透過可能で、かつ、散乱光又は回折光を透過可能なビューポート１４を有している。
【００８５】
真空アーク蒸着法は、プラズマ密度が高いため、膜応力の制御が容易であり、また基材１３と成膜層との間の界面に混合層を形成することによって、極めて密着性の高い膜の形成が可能になる。
【００８６】
一方、陰極１２からは、マクロパーティクルが発生し易く、このマクロパーティクルがプラズマ１５に混じって飛来し、膜中に混入することによって膜剥離を生じやすくなるという欠点があるため、真空アーク蒸着装置の運転条件の制御や管理、定期的なメンテナンスが必要になり、マクロパーティクルを計測するモニターリング機能が必要になる。
【００８７】
具体的には、マクロパーティクルの計測装置３０を用いてマクロパーティクル２０を計測し、所定のマクロパーティクル数以下であれば、成膜を実施する。
【００８８】
マクロパーティクルの計測装置３０は、上記したように、第１電極３１と、第２電極３２と、第１電極３１に電圧を印加する第１電源３３と、第２電極３２に電圧を印加する第２電源３４とを備えている。
【００８９】
第１電極３１および第２電極３２は、マクロパーティクル２０が通過可能な孔３１ａ、３２ａ（図１参照）を有する板状の電極で、互いに所定の間隔を隔てて配置されている。
【００９０】
第１電極３１は、基材１３の近傍であってビューポート１４を通して真空チャンバ１１の外部から光を照射可能な位置に配置されている。第２電極３２は、第１電極３１からマクロパーティクル２０の進行方向、すなわち陰極１２から基材１３に向かう方向に所定の間隔を隔てて配置されている。
【００９１】
第１電源３３は、第１電極３１に対してプラズマ電位になる電圧が印加され、第２電源３４は、第２電極３２に対して第１電極３１よりも高い電位になる電圧が印加される。
【００９２】
マクロパーティクル計測装置３０は、さらに、第１〜第３のレーザー光源３５、３６、３７と、第１および第２のＣＣＤカメラ３８、３９とを備えており、第１および第２のＣＣＤカメラ３８、３９はコンピュータ４０に接続されている。
【００９３】
コンピュータ４０には、前記したｔ１、ｔ２、ｔ３などを計測する時間計測手段、速度および速度変化を算出する速度および速度変化算出手段、粒度分布を計測する粒度分布計測手段、速度分布および帯電状態を計測する速度分布および帯電状態計測手段がプログラムとして予め内蔵されている。
【００９４】
第１〜第３のレーザー光源３５、３６、３７は、真空チャンバ１１のビューポート１４を通してマクロパーティクル２０に光を照射するものであり、マクロパーティクル２０が反射する反射光（例えば、散乱光、回折光）は、第１および第２のＣＣＤカメラ３８、３９によって撮影してマクロパーティクル２０の粒径が計測される。
【００９５】
そして、上記のように、（１）式および（７）式、あるいは（８）式および（９）式を用いてマクロパーティクルの速度分布および帯電状態が算出される。
【００９６】
クルマクロパーティクル２０の計測後、マクロパーティクル２０の発生量が所定のマクロパーティクル数以下であれば成膜を実施することになるが、成膜中は、マクロパーティクル数を常時、あるいは一定時間間隔などで計測を行ない、成膜中のマクロパーティクルの発生量を監視する。
【００９７】
成膜前におけるマクロパーティクル２０の計測によってマクロパーティクル２０が所定のマクロパーティクル数以上であれば、成膜を行なわないで真空アーク蒸着装置１０のメンテナンスを行なうことになるが、マクロパーティクル数の推移をデータベース化することによって、メンテナンスサイクルなどは予測することが可能になり、効率的な装置管理、生産管理ができる。
【００９８】
また、真空アーク蒸着装置１０において、マクロパーティクル２０の発生源は陰極１２が主な発生源になるが、真空チャンバ１１の内壁などに付着堆積した膜が剥がれた場合も発生の原因となる。
【００９９】
通常、これらのマクロパーティクル２０は、真空チャンバ１１内のプラズマ１５空間を経て基材１３に到着して付着すると考えられ、マクロパーティクル２０がプラズマ１５空間を運動する場合、プラズマ１５中の電子が付着して負に帯電する。
【０１００】
そして、マクロパーティクル２０の移動時間（移動距離）が長いほど、負に帯電していくため、負に帯電したマクロパーティクル２０は基材１３から比較的遠い位置に発生個所がある可能性が高い。
【０１０１】
逆に、正に帯電したマクロパーティクル２０は、基材１３から遠い位置が発生個所であれば、基材１３までの運動中にプラズマ中の電子が付着して負に帯電することになると考えられる。このため、正に帯電したマクロパーティクル２０が正に帯電したままで計測されれば、マクロパーティクル２０は基材１３から比較的近い位置で発生している可能性が高くなる。
【０１０２】
このように、マクロパーティクル２０がどのように帯電しているかをモニターリングすることにより、マクロパーティクル２０の発生箇所をある程度特定することが可能となる。このため、真空アーク蒸着装置１０を重点的かつ効率的にメンテナンスすることができ、成膜プロセスを、効率的かつ高い生産性の下で運用できるようになる。
【０１０３】
以上、真空アーク蒸着装置を例に挙げて説明したが、本実施の形態において示したマクロパーティクルの計測は、他のＰＶＤ法やＣＶＤ法などの他の蒸着装置や半導体エッチング装置など、マクロパーティクルが発生し得る表面処理装置全てに対して適用可能である。
【０１０４】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【０１０５】
１０ 真空アーク蒸着装置
１１ 真空チャンバ
１２ 陰極
１３ 基材
１４ ビューポート
１５ プラズマ
２０ マクロパーティクル
３０ マクロパーティクルの計測装置
３１ 第１電極
３１ａ 第１電極の孔
３２ 第２電極
３２ａ 第２電極の孔
３３ 第１電源
３４ 第２電源
３５ 第１レーザー光源
３６ 第２レーザー光源
３７ 第３レーザー光源
３５ａ、３６ａ、３７ａ レーザー光
３５ｂ、３６ｂ、３７ｂ 散乱光
３８ 第１のＣＣＤカメラ
３９ 第２のＣＣＤカメラ
４０ コンピュータ
Ａ 第１地点
Ｂ、Ｄ 第２地点
Ｃ、Ｅ 第３地点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ源により発生するプラズマに含まれるマクロパーティクルを計測するマクロパーティクルの計測方法であって、
前記マクロパーティクルが通過可能な孔を有する電極を前記マクロパーティクルの移動方向と垂直に配置して、１つ以上の無電界空間および１つ以上の電界空間を形成させ、
移動する前記マクロパーティクルに外部光源より光を照射して、前記マクロパーティクルの粒径を計測すると共に、前記マクロパーティクルが前記無電界空間および前記電界空間内において所定距離を移動するために要した時間を計測し、
計測されたそれぞれの移動距離および移動時間に基づいて、前記マクロパーティクルの前記無電界空間内における速度および前記電界空間内における速度変化を求め、
前記粒径に基づいて、前記マクロパーティクルの粒度分布を計測すると共に、
前記速度および速度変化に基づいて、前記マクロパーティクルの速度分布および帯電状態を計測する
ことを特徴とするマクロパーティクルの計測方法。
【請求項２】
プラズマ源により発生するプラズマに含まれるマクロパーティクルを計測するマクロパーティクルの計測方法であって、
前記マクロパーティクルが通過可能な孔を有する第１電極および第２電極を、所定の間隔を隔てて前記マクロパーティクルの移動方向と垂直に配置することにより、前記第１電極よりも上流側に無電界空間を形成させると共に、前記第１電極と前記第２電極との間に電界空間を形成させ、
移動する前記マクロパーティクルに外部光源より光を照射して、前記マクロパーティクルの粒径を計測すると共に、前記マクロパーティクルが前記無電界空間内および前記電界空間内において所定距離を移動するために要した時間を計測し、
計測されたそれぞれの移動距離および移動時間に基づいて、前記マクロパーティクルの前記無電界空間内における速度および前記電界空間内における速度変化を求め、
前記粒径に基づいて、前記マクロパーティクルの粒度分布を計測すると共に、
前記速度および速度変化に基づいて、前記マクロパーティクルの速度分布および帯電状態を計測する
ことを特徴とするマクロパーティクルの計測方法。
【請求項３】
前記第１電極にはプラズマ電位を設定し、前記第２電極には前記第１電極の電位よりも低いあるいは高い電位を設定し、
前記外部光源から前記マクロパーティクルへの光の照射は、前記マクロパーティクルが移動する経路の前記第１電極から所定距離手前の位置、前記第１電極に設けられた孔の位置、前記第２電極に設けられた孔の位置の３点で行う
ことを特徴とする請求項２に記載のマクロパーティクルの計測方法。
【請求項４】
前記外部光源が、レーザーであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法。
【請求項５】
前記マクロパーティクルに照射された外部光源からの光をＣＣＤカメラにより受光して計測することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法。
【請求項６】
前記マクロパーティクルに照射された外部光源からの光が、散乱光であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法。
【請求項７】
前記マクロパーティクルに照射された外部光源からの光が、回折光であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法。
【請求項８】
プラズマ源により発生するプラズマに含まれるマクロパーティクルを計測するマクロパーティクルの計測装置であって、
前記マクロパーティクルの移動方向と垂直に配置され、前記マクロパーティクルが通過可能な孔を有する複数の電極と、
前記電極により１つの無電界空間および１つまたは２つ以上の電界空間を形成させる複数の電源と、
移動する前記マクロパーティクルに光を照射する複数の外部光源と、
光を照射された前記マクロパーティクルからの光を受光する複数の受光手段と
が備えられており、
さらに、前記受光手段により受光された光に基づいて前記マクロパーティクルの粒径を計測する粒径計測手段と、
前記マクロパーティクルが前記無電界空間および前記電界空間内において所定距離を移動するために要した時間を計測する時間計測手段と、
前記時間計測手段により計測されたそれぞれの移動距離および移動時間に基づいて、前記マクロパーティクルの前記無電界空間内における速度および前記電界空間内における速度変化を算出する速度および速度変化算出手段と、
前記粒径に基づいて、前記マクロパーティクルの粒度分布を計測する粒度分布計測手段と、
前記速度および速度変化に基づいて、前記マクロパーティクルの速度分布および帯電状態を計測する速度分布および帯電状態計測手段と
が備えられていることを特徴とするマクロパーティクルの計測装置。
【請求項９】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法を用いて、表面処理前、表面処理中、表面処理後の少なくとも１回、マクロパーティクルの計測を行うことを特徴とする表面処理方法
【請求項１０】
請求項８に記載のマクロパーティクルの計測装置を備えていることを特徴とする表面処理装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の表面処理方法を用いて表面処理されていることを特徴とする製品。
【請求項１】
プラズマ源により発生するプラズマに含まれるマクロパーティクルを計測するマクロパーティクルの計測方法であって、
前記マクロパーティクルが通過可能な孔を有する電極を前記マクロパーティクルの移動方向と垂直に配置して、１つ以上の無電界空間および１つ以上の電界空間を形成させ、
移動する前記マクロパーティクルに外部光源より光を照射して、前記マクロパーティクルの粒径を計測すると共に、前記マクロパーティクルが前記無電界空間および前記電界空間内において所定距離を移動するために要した時間を計測し、
計測されたそれぞれの移動距離および移動時間に基づいて、前記マクロパーティクルの前記無電界空間内における速度および前記電界空間内における速度変化を求め、
前記粒径に基づいて、前記マクロパーティクルの粒度分布を計測すると共に、
前記速度および速度変化に基づいて、前記マクロパーティクルの速度分布および帯電状態を計測する
ことを特徴とするマクロパーティクルの計測方法。
【請求項２】
プラズマ源により発生するプラズマに含まれるマクロパーティクルを計測するマクロパーティクルの計測方法であって、
前記マクロパーティクルが通過可能な孔を有する第１電極および第２電極を、所定の間隔を隔てて前記マクロパーティクルの移動方向と垂直に配置することにより、前記第１電極よりも上流側に無電界空間を形成させると共に、前記第１電極と前記第２電極との間に電界空間を形成させ、
移動する前記マクロパーティクルに外部光源より光を照射して、前記マクロパーティクルの粒径を計測すると共に、前記マクロパーティクルが前記無電界空間内および前記電界空間内において所定距離を移動するために要した時間を計測し、
計測されたそれぞれの移動距離および移動時間に基づいて、前記マクロパーティクルの前記無電界空間内における速度および前記電界空間内における速度変化を求め、
前記粒径に基づいて、前記マクロパーティクルの粒度分布を計測すると共に、
前記速度および速度変化に基づいて、前記マクロパーティクルの速度分布および帯電状態を計測する
ことを特徴とするマクロパーティクルの計測方法。
【請求項３】
前記第１電極にはプラズマ電位を設定し、前記第２電極には前記第１電極の電位よりも低いあるいは高い電位を設定し、
前記外部光源から前記マクロパーティクルへの光の照射は、前記マクロパーティクルが移動する経路の前記第１電極から所定距離手前の位置、前記第１電極に設けられた孔の位置、前記第２電極に設けられた孔の位置の３点で行う
ことを特徴とする請求項２に記載のマクロパーティクルの計測方法。
【請求項４】
前記外部光源が、レーザーであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法。
【請求項５】
前記マクロパーティクルに照射された外部光源からの光をＣＣＤカメラにより受光して計測することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法。
【請求項６】
前記マクロパーティクルに照射された外部光源からの光が、散乱光であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法。
【請求項７】
前記マクロパーティクルに照射された外部光源からの光が、回折光であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法。
【請求項８】
プラズマ源により発生するプラズマに含まれるマクロパーティクルを計測するマクロパーティクルの計測装置であって、
前記マクロパーティクルの移動方向と垂直に配置され、前記マクロパーティクルが通過可能な孔を有する複数の電極と、
前記電極により１つの無電界空間および１つまたは２つ以上の電界空間を形成させる複数の電源と、
移動する前記マクロパーティクルに光を照射する複数の外部光源と、
光を照射された前記マクロパーティクルからの光を受光する複数の受光手段と
が備えられており、
さらに、前記受光手段により受光された光に基づいて前記マクロパーティクルの粒径を計測する粒径計測手段と、
前記マクロパーティクルが前記無電界空間および前記電界空間内において所定距離を移動するために要した時間を計測する時間計測手段と、
前記時間計測手段により計測されたそれぞれの移動距離および移動時間に基づいて、前記マクロパーティクルの前記無電界空間内における速度および前記電界空間内における速度変化を算出する速度および速度変化算出手段と、
前記粒径に基づいて、前記マクロパーティクルの粒度分布を計測する粒度分布計測手段と、
前記速度および速度変化に基づいて、前記マクロパーティクルの速度分布および帯電状態を計測する速度分布および帯電状態計測手段と
が備えられていることを特徴とするマクロパーティクルの計測装置。
【請求項９】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のマクロパーティクルの計測方法を用いて、表面処理前、表面処理中、表面処理後の少なくとも１回、マクロパーティクルの計測を行うことを特徴とする表面処理方法
【請求項１０】
請求項８に記載のマクロパーティクルの計測装置を備えていることを特徴とする表面処理装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の表面処理方法を用いて表面処理されていることを特徴とする製品。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−２３００８０（Ｐ２０１２−２３００８０Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０００１７（Ｐ２０１１−１０００１７）
【出願日】平成２３年４月２７日（２０１１．４．２７）
【出願人】（０００００３９４２）日新電機株式会社 (328)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２７日（２０１１．４．２７）
【出願人】（０００００３９４２）日新電機株式会社 (328)
【Ｆターム（参考）】
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