JP6221524B2 - 成膜装置及び治具 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを用い、鋼材等の導電性を有する被加工材料の表面に皮膜を形成するための成膜装置及び治具に関するものである。

従来より、プラズマを用い、鋼材等の導電性を有する被加工材料の表面に皮膜を形成するための成膜装置が特許文献１等により知られている。

この特許文献１に開示された技術では、プラズマ生成装置がマイクロ波供給口である石英窓を通して処理容器内の被加工材料に向けマイクロ波を供給することにより、石英窓内面の周辺領域にプラズマが生成される。被加工材料は例えば棒状であり、石英窓内面から処理容器内に突出するように配置され、生成されたプラズマに覆われた被加工材料の石英窓内面の周辺部分にはシース層が生成される。続いて、マイクロ波の供給中に、プラズマ生成装置が被加工材料へ負のバイアス電圧を印加する。

この結果、被加工材料の表面に生成されたシース層は被加工材料の表面に沿って拡大する。また同時に、供給されたマイクロ波は、この拡大されたシース層に沿って高エネルギー密度の表面波として伝搬する。このとき、高エネルギー密度の表面波により石英窓内面周辺から離れた被加工材料の表面にもプラズマが生成され、シース層も生成される。この新たに生成されたシース層も負のバイアス電圧によって拡大され、この拡大されたシース層に沿ってマイクロ波が高エネルギー密度の表面波としてさらに伝搬する。これにより、被加工材料の石英窓周辺から離れた部分へ、すなわち、被加工材料の石英窓側の一端から処理容器内に突出した他端へとプラズマが伸長する。この結果、原料ガスが表面波によってプラズマ励起されて高密度プラズマとなり、被加工材料の表面全体に成膜処理される。

特開２００４−４７２０７号公報

前記した特許文献１に開示された技術では、被加工材料の表面全体に成膜処理される膜は、３次元形状に成膜されるため、被加工材料の処理表面に熱電対を接触させた場合には、熱電対が接触した部分には成膜されなくなる。更に、熱電対に沿ってプラズマが伸長する可能性があり、エネルギーと原料ガスの損失につながる。このため、成膜中における被加工材料の処理表面の表面温度の測定には、熱電対を用いることができず、非接触で表面温度を測定できる放射温度計が用いられることが望ましい。

金属等の導電性基材からなる被加工材料の処理表面にダイヤモンドライクカーボン（以下、「ＤＬＣ」という。）膜が成膜される場合には、放射率が小さい金属表面に放射率が大きなＤＬＣ膜等の膜が成膜される。このため、放射温度計において測定された赤外線の強度と、予め設定された導電性基材の放射率とに基づき表面温度が算出されると、被加工材料の実際の処理表面の表面温度と差が生じる。これは、成膜処理時間の経過と共に放射温度計において測定されるＤＬＣ膜からの赤外線の割合が増え、ＤＬＣ膜からの赤外線の強度が金属基材の放射率で換算されて、表面温度が算出されるからである。

この結果、放射温度計からの出力温度が、被加工材料の実際の処理表面の表面温度よりも高くなる場合は、温度上昇を抑えるため、成膜速度を必要以上に低くして成膜が行われる必要がある。これにより成膜時間が増大し、生産効率が低下する。逆に、放射温度計からの出力温度が、被加工材料の実際の処理表面の表面温度よりも低くなる場合は、この低い出力温度に基づいて成膜処理が行われると、例えば、焼き鈍りによる被加工材料の硬度低下が生じる虞がある。

そこで、本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、成膜中における被加工材料の表面温度を、放射温度計を用いて低誤差で測定することが可能となる成膜装置及び治具を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため請求項１に係る成膜装置は、導電性を有する被加工材料を内部に配置可能な処理容器と、前記処理容器に原料ガスと不活性ガスとを供給するガス供給部と、前記被加工材料の処理表面に沿ってプラズマを生成させるためのマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、前記被加工材料の処理表面に沿うシース層を拡大させる負のバイアス電圧を前記被加工材料に印加する負電圧印加部と、前記マイクロ波供給部から供給されるマイクロ波を拡大された前記シース層へ伝搬させるマイクロ波供給口と、前記負電圧印加部によって印加される負のバイアス電圧を前記被加工材料に印加させる負電極部材と、前記マイクロ波供給口と前記負電極部材との少なくとも一方と、前記被加工材料との間に配置されて、前記被加工材料に取り付けられる治具と、前記処理容器に設けられた窓部の外側に配置された放射温度計と、を備え、前記被加工材料に取り付けられる前記治具のうち、少なくとも一の前記治具は、前記放射温度計によって測定される温度測定領域を有し、前記放射温度計によって測定される前記温度測定領域の測定面は、前記被加工材料の処理表面に成膜される皮膜の放射率、又は前記皮膜の放射率に対して±０．１内の放射率を有することを特徴とする。

また、請求項２に係る成膜装置は、請求項１に記載の成膜装置において、前記温度測定領域は、前記マイクロ波供給口と前記被加工材料との間に配置される前記治具に設けられていることを特徴とする。

また、請求項３に係る成膜装置は、請求項１又は請求項２に記載の成膜装置において、前記温度測定領域は、前記被加工材料の延長線上に沿って設けられていることを特徴とする。

また、請求項４に係る成膜装置は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の成膜装置において、前記治具の前記マイクロ波の進行方向に垂直な方向の断面外周形状が、前記被加工材料の前記垂直な方向の断面外周形状と同じであることを特徴とする。

また、請求項５に係る成膜装置は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の成膜装置において、前記温度測定領域は、前記放射温度計の測定方向に対して垂直な平面部を有していることを特徴とする。

更に、請求項６に係る成膜装置は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の成膜装置において、前記皮膜は、ダイヤモンドライクカーボン膜であることを特徴とする。

また、請求項７に係る成膜装置は、導電性を有する被加工材料を内部に配置可能な処理容器と、前記処理容器に原料ガスと不活性ガスとを供給するガス供給部と、前記被加工材料の処理表面に沿ってプラズマを生成させるためのマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、前記被加工材料の処理表面に沿うシース層を拡大させる負のバイアス電圧を前記被加工材料に印加する負電圧印加部と、前記マイクロ波供給部から供給されるマイクロ波を拡大された前記シース層へ伝搬させるマイクロ波供給口と、前記負電圧印加部によって印加される負のバイアス電圧を前記被加工材料に印加させる負電極部材と、前記処理容器に設けられた窓部の外側に配置された放射温度計と、を備え、前記負電極部材は、前記放射温度計によって測定される温度測定領域を有し、前記放射温度計によって測定される前記温度測定領域の測定面は、前記被加工材料の処理表面に成膜される皮膜の放射率、又は前記皮膜の放射率に対して±０．１内の放射率を有することを特徴とする。

請求項１に係る成膜装置では、治具は、マイクロ波供給口と負電極部材との少なくとも一方と、被加工材料との間に配置されて、被加工材料に取り付けられる。この治具には、放射温度計によって測定される温度測定領域が設けられている。温度測定領域は、放射温度計によって測定される測定面が、被加工材料の処理表面に成膜される皮膜と同じ放射率、又は皮膜の放射率に対して±０．１内の放射率を有している。

これにより、治具に設けられた温度測定領域を、放射温度計によって温度測定領域の放射率で測定することによって、治具を放射温度計によって治具の放射率で測定した場合よりも低誤差で測定することが可能となる。即ち、成膜処理中における被加工材料の処理表面の正確な温度測定をすることができる。

また、請求項２に係る成膜装置では、例えば、マイクロ波を負電圧印加に対して先行するように供給するとき等、マイクロ波供給口の方にマイクロ波が集中する場合は、マイクロ波供給口に近い位置に配置される治具の表面温度の方が、被加工材料の表面温度よりも高くなる。このため、温度測定領域をマイクロ波供給口に近い位置に配置される治具に設けることによって、放射温度計で成膜処理中における被加工材料の表面温度を更に正確に測定をすることができる。

また、請求項３に係る成膜装置では、温度測定領域を被加工材料の延長線上に沿って設けることにより、被加工材料の処理表面を通過する表面波と同じ経路上に温度測定領域を配置することができ、被加工材料の表面温度により近い表面温度を測定することができる。

また、請求項４に係る成膜装置では、治具のマイクロ波の進行方向に垂直な方向の断面外周形状が、被加工材料のマイクロ波の進行方向に垂直な方向の断面外周形状と同じであるため、マイクロ波供給口から供給されるマイクロ波の表面波が反射、散乱されにくく、治具の表面温度と被加工材料の表面温度とがより同じになりやすい。この結果、放射温度計によって治具の温度測定領域を測定することによって、被加工材料の処理表面の正確な表面温度を測定することができる。

また、請求項５に係る成膜装置では、温度測定領域は、放射温度計の測定方向に対して垂直な平面部を有しているため、放射温度計による測定誤差の更なる低減化を図ることができる。

更に、請求項６に係る成膜装置では、被加工材料の処理表面に成膜される皮膜は、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜である。従って、被加工材料の処理表面に成膜される皮膜の放射率、又は皮膜の放射率と同等の放射率を有する温度測定領域の測定面は、ＤＬＣ膜の放射率、又は、ＤＬＣ膜と同等の放射率を有する。この温度測定領域を、放射温度計によってＤＬＣ膜の放射率で測定することによって、成膜処理中における被加工材料の処理表面の表面温度を低誤差で測定をすることができる。

請求項７に係る成膜装置では、負のバイアス電圧を被加工材料に印加させる負電極部材には、放射温度計によって測定される温度測定領域が設けられている。また、温度測定領域は、放射温度計によって測定される測定面が、被加工材料の処理表面に成膜される皮膜と同じ放射率、又は皮膜の放射率に対して±０．１内の放射率を有している。

これにより、負電極部材に設けられた温度測定領域を、放射温度計によって温度測定領域の放射率で測定することによって、負電極部材を放射温度計によって負電極部材の放射率で測定した場合よりも低誤差で測定することが可能となる。即ち、成膜処理中における被加工材料の処理表面の正確な温度測定をすることができる。

第１実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す説明図である。 保持治具の拡大斜視図である。 図２のＸ１−Ｘ１矢視断面図である。 図２のＸ２−Ｘ２矢視断面図である。 ＤＬＣ膜の成膜時における被加工材料の上端からの各位置における表面温度の一例を示す図である。 放射温度計の放射率を０．９に設定して３００℃の物体の表面温度を測定した際の、測定温度誤差の一例を示す図である。 第２実施形態に係る成膜装置の負電圧電極の一例を示す図である。 第３実施形態に係る成膜装置の負電圧端子治具の一例を示す図である。

以下、本発明に係る成膜装置について具体化した第１実施形態乃至第３実施形態に基づき図面を参照しつつ詳細に説明する。先ず、第１実施形態に係る成膜装置１の概略構成について図１乃至図６に基づいて説明する。

［第１実施形態］
図１に示すように、第１実施形態に係る成膜装置１は、処理容器２、真空ポンプ３、ガス供給部５、及び制御部６等から構成されている。処理容器２は、ステンレス等の金属製であって、気密構造の処理容器である。真空ポンプ３は、圧力調整バルブ７を介して処理容器２の内部を真空排気可能なポンプである。処理容器２の内部には、成膜対象である導電性を有する被加工材料８が、ステンレスや低温焼戻し鋼等で形成された導電性を有する保持治具９により保持されている。保持治具９は本発明の治具の一例である。

被加工材料８の材質は、表面が導電性を有していれば、特に限定されるものではないが、第１実施形態では低温焼戻し鋼である。ここで低温焼戻し鋼とは、ＪＩＳ Ｇ４０５１（機械構造用炭素鋼鋼材）、Ｇ４４０１（炭素工具鋼鋼材）、Ｇ４４−４（合金工具用鋼材）、又はマルエージング鋼材などの材料である。被加工材料８は、低温焼戻し鋼以外にも、セラミック、または樹脂に導電性の材料がコーティングされているものでもよい。

ガス供給部５は、処理容器２の内部に成膜用の原料ガスと不活性ガスとを供給する。具体的には、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、またはＸｅなどの不活性ガスとＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_２、又はＴＭＳ（テトラメチルシラン）等の原料ガスとが供給される。第１実施形態では、Ｃ_２Ｈ_２、ＣＨ_４、およびＴＭＳの原料ガスにより被加工材料８がＤＬＣ成膜処理されるとして説明する。

ガス供給部５から供給される原料ガス、および不活性ガスの流量、および圧力が制御部６を介して制御されてもよいし、作業者により制御されてもよい。原料ガスは、アルキン、アルケン、アルカン、芳香族化合物などのＣＨ結合を有する化合物、または炭素が含まれる化合物が含まれるガスであればよい。Ｈ_２が原料ガスに含まれてもよい。

処理容器２の内部に保持された被加工材料８に対してＤＬＣ成膜処理を行うためのプラズマが発生される。このプラズマは、マイクロ波パルス制御部１１、マイクロ波発振器１２、マイクロ波電源１３、負電圧電源１５、及び負電圧パルス発生部１６により発生される。第１実施形態では、特開２００４−４７２０７号公報に開示された方法（以下、「ＭＶＰ法（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｓｈｅａｔｈ−Ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ Ｐｌａｓｍａ法）」という。）により表面波励起プラズマが発生されるとして説明する。以降の記載では、ＭＶＰ法を説明する。

マイクロ波パルス制御部１１は制御部６の指示に従い、パルス信号を発振し、この発振したパルス信号をマイクロ波発振器１２へ供給する。マイクロ波発振器１２は、マイクロ波パルス制御部１１からのパルス信号に従って、マイクロ波パルスを発生する。マイクロ波電源１３は、制御部６の指示に従い、指示された出力で２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振するマイクロ波発振器１２へ電力を供給する。つまり、マイクロ波発振器１２は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波をマイクロ波パルス制御部１１からのパルス信号に従って、パルス状のマイクロ波パルスで後述するアイソレータ１７に供給する。

マイクロ波パルスは、マイクロ波発振器１２からアイソレータ１７、チューナー１８、導波管１９、導波管１９から図示されない同軸導波管変換器を介して突設された同軸導波管２１、及び石英などのマイクロ波を透過する誘電体等からなるマイクロ波供給口２２を経由し、保持治具９及び被加工材料８の処理表面に供給される。アイソレータ１７は、マイクロ波の反射波がマイクロ波発振器１２へ戻ることを防ぐものである。チューナー１８は、マイクロ波の反射波が最小になるようにチューナー１８前後のインピーダンスを整合するものである。

マイクロ波供給口２２の上端面２２Ａを除く外周面は、ステンレス等の金属で形成された側面導体２３で被覆されている。側面導体２３は、処理容器２の内側面にネジ止め等によって固定され、電気的に処理容器２に接続されている。マイクロ波供給口２２の中央には同軸導波管２１の中心導体が延長されている。また、被加工材料８に効率よく表面波を伝搬させるには、同軸導波管２１の中心導体の延長として被加工材料８を配置することが必要となる。このため、保持治具９も同軸導波管２１の中心導体の延長上に配置され、保持治具９は、マイクロ波供給口２２内では中心導体となる。従って、マイクロ波供給口２２の中心導体と側面導体２３とで同軸導波管として機能する。

このため、マイクロ波供給口２２に供給されたマイクロ波パルスによって、保持治具９が設けられた上端面２２Ａ付近にマイクロ波が伝搬してプラズマが生成される。マイクロ波供給口２２の中心導体と保持治具９との間には、真空を保持するため、これらの間に石英等の誘電体が配置されている。尚、同軸導波管２１の中心導体の外周部と石英等の誘電体とが、真空を保つように密着されている場合には、同軸導波管２１の中心導体と保持治具９との間が貫通していてもよい。被加工材料８は、例えば棒状であり、マイクロ波供給口２２の中心導体の延長線上に配置される。

被加工材料８は、被加工材料８を保持する保持治具９からマイクロ波供給口２２に対して処理容器２の内側に向かって突出するように配置されている。保持治具９は、マイクロ波の進行方向に垂直な方向の断面外周形状が、被加工材料８のマイクロ波の進行方向に垂直な方向の断面外周形状と同じになるように形成されている。マイクロ波の進行方向は、図１及び図２に示す上下方向である。マイクロ波の進行方向に垂直な方向は、図１に示す左右方向である。

例えば、図２乃至図４に示すように、保持治具９のマイクロ波の進行方向に垂直な方向の断面外周形状９Ａは、被加工材料８のマイクロ波の進行方向に垂直な方向の断面外周形状８Ａにほぼ等しい外径の円形状に形成されている。つまり、保持治具９は、被加工材料８の外径にほぼ等しい外径の円柱状に形成されている。

保持治具９は、上端面９Ｂの中央部に立設された断面円形の細い軸部９１が、被加工材料８の下端面の中央部に形成された断面円形の凹部８１内に嵌入されることにより、被加工材料８を保持するように構成されている。保持治具９は、マイクロ波供給口２２の上端面２２Ａの中央部に着脱可能に取り付けられている。被加工材料８の上端部には、負のバイアス電圧パルスを印加するための負電極部材の一例としての負電圧電極２５が、被加工材料８の上端部に電気的に接続される。

負電圧電源１５は、制御部６の指示に従い、負電圧パルス発生部１６に負のバイアス電圧を供給する。負電圧パルス発生部１６は、負電圧電源１５から供給された負のバイアス電圧をパルス化する。このパルス化の処理は、負電圧パルス発生部１６が制御部６の指示に従い、負のバイアス電圧パルスの大きさ、周期、及び、デューティ比を制御する処理である。このパルス状の負のバイアス電圧である負のバイアス電圧パルスが、処理容器２の内部に保持された被加工材料８に負電圧電極２５を介して印加される。

即ち、被加工材料８が、金属基材の場合、またはセラミック、または樹脂に導電性の材料がコーティングされた場合であっても、被加工材料８の少なくとも処理表面全域に負のバイアス電圧パルスが印加される。保持治具９の表面全域にも被加工材料８を介して負のバイアス電圧パルスが印加される。

発生されたマイクロ波パルス、および負のバイアス電圧パルスの少なくとも一部が同一時間に印加されるように制御されることにより表面波励起プラズマ２８が発生される。マイクロ波は２．４５ＧＨｚに限らず、０．３ＧＨｚ〜５０ＧＨｚの周波数であればよい。負電圧電源１５、および負電圧パルス発生部１６が本発明の負電圧印加部の一例である。

マイクロ波パルス制御部１１、マイクロ波発振器１２、マイクロ波電源１３、アイソレータ１７、チューナー１８、導波管１９、及び同軸導波管２１が本発明のマイクロ波供給部の一例である。尚、成膜装置１は負電圧電源１５、および負電圧パルス発生部１６を備えたが、更に正電圧電源、および正電圧パルス発生部を備えてもよいし、負電圧パルス発生部１６の代わりに、パルス状の負のバイアス電圧でなく、連続する負のバイアス電圧を印加する負電圧発生部を備えてもよい。

処理容器２の側壁に設けられた石英窓２７の外側近傍の位置に、放射温度計２９が配置されている。放射温度計２９は、保持治具９の外周面に設けられた温度測定領域９２の表面温度を連続的に検出する。放射温度計２９は、制御部６に電気的に接続される。放射温度計２９は、温度測定領域９２からの赤外線を受信し、受信された赤外線の強度を算出する。算出した赤外線の強度から温度測定領域９２の表面温度を算出する。放射温度計２９は、算出した温度測定領域９２の温度情報を制御部６に出力する。これ以外にも、放射温度計２９は、温度測定領域９２からの赤外線を受信し、受信された赤外線の強度を算出する。放射温度計２９は算出された赤外線の強度情報を制御部６に出力する。制御部６は、入力された赤外線の強度情報に基づき、温度測定領域９２の表面温度を算出してもよい。

制御部６は、放射温度計２９が受信した赤外線の強度に従う温度測定領域９２の表面温度に基づいて、被加工材料８の成膜処理による硬度低下の有無等を判定して、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）３０に表示する。

制御部６は、負電圧電源１５とマイクロ波電源１３に制御信号を出力してマイクロ波パルスの印加電力と負電圧パルスの印加電圧を制御する。制御部６は、負電圧パルス発生部１６及びマイクロ波パルス制御部１１に制御信号を出力することによって、パルス状の負のバイアス電圧パルスの印加タイミング、供給電圧、及びマイクロ波発振器１２から発生されるマイクロ波パルスの供給タイミング、及び供給電力を制御する。

制御部６は、ガス供給部５に流量制御信号を出力して原料ガス及び不活性ガスの供給を制御する。制御部６は、処理容器２に取り付けられた真空計２６から入力される処理容器２内の圧力を表す圧力信号に基づいて、制御信号を圧力調整バルブ７に出力して、処理容器２内の圧力を制御する。

［表面波励起プラズマの説明］
通常、表面波励起プラズマを発生させる場合、ある程度以上の電子（イオン）密度におけるプラズマと、これに接する誘電体との界面に沿ってマイクロ波が供給される。供給されたマイクロ波は、この界面に電磁波のエネルギーが集中した状態で表面波として伝播される。その結果、界面に接するプラズマは高エネルギー密度の表面波によって励起され、さらに増幅される。これにより高密度プラズマが生成されて維持される。ただし、この誘電体を導電性材料に換えた場合、導電性材料は表面波の導波路としては機能せず、好ましい表面波の伝播及びプラズマ励起を生ずることはできない。

一方、プラズマに接する物体の表面近傍には、本質的に単一極性の荷電粒子層、いわゆるシース層が形成される。物体が、負のバイアス電圧を加えた導電性を有する被加工材料８の場合、シース層とは電子密度が低い層、すなわち、正極性であって、マイクロ波の周波数帯においてはほぼ比誘電率ε≒１の層である。このため、印加する負のバイアス電圧の絶対値を例えば−１００Ｖの絶対値より大きくすることによりシース層のシース厚さを厚くできる。すなわちシース層が拡大する。このシース層が、プラズマとプラズマに接する物体との界面に表面波を伝播させる誘電体として作用する。

従って、被加工材料８を保持する保持治具９の一端に近接して配置されたマイクロ波供給口２２からマイクロ波が供給され、かつ被加工材料８及び保持治具９に負のバイアス電圧が印加されると、マイクロ波はシース層とプラズマとの界面に沿って表面波として伝搬する。この結果、被加工材料８及び保持治具９の表面に沿って表面波に基づく高密度励起プラズマが発生する。この高密度励起プラズマが、上述した表面波励起プラズマ２８である。

このような被加工材料８の表面の近傍での表面波励起による高密度プラズマの電子密度は１０¹¹〜１０¹²ｃｍ^―3に達する。このＭＶＰ法を用いたプラズマＣＶＤによりＤＬＣ成膜処理される場合は、通常のプラズマＣＶＤによりＤＬＣ成膜処理される場合よりも１桁から２桁高い成膜速度３〜３０（ナノｍ／秒）が得られるので高速成膜が可能である。

このＭＶＰ法では、金属基材である被加工材料８及び保持治具９の表面近傍に高密度励起プラズマを発生させるので、被加工材料８及び保持治具９の表面温度が上昇しやすい（例えば、約２５０℃〜約３２０℃である。）。但し、高速成膜が可能であるため、成膜時間は通常のプラズマＣＶＤの成膜時間の１／１０〜１／１００となる。即ち、成膜時間を数十秒〜数分に短縮できるので、被加工材料８の表面温度が焼き戻し温度を超えても、被加工材料８の軟化を抑制することができる。このような成膜時間が短い高速成膜において、被加工材料８の処理表面の表面温度を低誤差で測定することが重要となる。

ここで、放射温度計２９によって表面温度を測定される保持治具９の温度測定領域９２について図２乃至図６に基づいて説明する。
図２に示すように、温度測定領域９２は、保持治具９の外周面に、例えば、正面視略四角形に窪むように形成される。放射温度計２９の測定方向９３に対して垂直な平面部９５が、測定面として正面視略四角形の窪みの底面に形成されている。保持治具９は、被加工材料８の外径とほぼ等しい外径の円柱状に形成されているため、温度測定領域９２は被加工材料８の延長線上に沿って設けられている。

これにより、被加工材料８の表面に沿って伝搬する表面波と同じ状態の表面波が保持治具９の表面にも伝搬する。即ち、被加工材料８における表面波伝搬特性が維持されたまま延長された位置に温度測定領域９２が設けられている。よって、表面波によって励起された高密度プラズマによる温度測定領域９２も被加工材料８の表面と同じように加熱される。保持治具９の温度測定領域９２と被加工材料８との間の部分に、急激な形状の変化等があると表面波の反射等が生じ、被加工材料８における表面波伝搬特性が保持治具９の温度測定領域９２において維持されなくなる。

平面部９５には、ＤＬＣ膜で形成された皮膜９５Ａが、厚さ０．５μｍ〜１μｍの厚さで、平面部９５の全面に渡って予め形成されている。皮膜９５Ａの厚さを０．５μｍ以上とすることによって、放射温度計２９の温度測定における平面部９５の金属基材からの赤外線放射量の影響を抑制することができる。これにより、放射温度計２９は、平面部９５の放射率を皮膜９５Ａの放射率、つまり、ＤＬＣ膜の放射率（例えば、放射率０．９である。）に設定して温度測定することが可能となる。

尚、ＤＬＣ膜に替えて、ＤＬＣ膜と同等の放射率（例えば、放射率０．８〜１．０である。）を有する皮膜、例えば、炭化ケイ素、ＮｉＯ、ＣｕＯ等の皮膜を、厚さ０．５μｍ以上の厚さで、平面部９５の全面に渡って予め形成するようにしてもよい。これにより、放射温度計２９は、平面部９５の放射率を皮膜９５Ａの放射率、つまり、ＤＬＣ膜の放射率に設定して、低誤差で成膜処理中における温度測定することが可能となる。

温度測定領域９２の平面部９５とほぼ同じ大きさのステンレスや低温焼き戻し鋼等の導電性を有する薄板の表面に、ＤＬＣ膜の皮膜、又は、ＤＬＣ膜と同等の放射率（例えば、放射率０．８〜１．０である。）を有する皮膜、例えば、炭化ケイ素、ＮｉＯ、ＣｕＯ等の皮膜を、厚さ０．５μｍ以上の厚さで、全面に渡って予め形成するようにしてもよい。そして、この薄板を保持治具９の温度測定領域９２の平面部９５上に取り付けるようにしてもよい。

ここで、温度測定領域９２を配置するマイクロ波供給口２２の上端面２２Ａからの高さについて図５に基づいて説明する。図５は、一例として、マイクロ波供給口２２の上端面２２Ａから４０ｍｍの高さに設定された保持治具９の上端面９Ｂに、長さ６０ｍｍの被加工材料８を保持した状態で、ＤＬＣ膜の成膜時における被加工材料８の上端からの各位置における表面温度の測定結果の一例を示す。つまり、図５の横軸は、被加工材料８の上端からの距離である。尚、被加工材料８及び保持治具９の全表面にＤＬＣ膜が成膜された状態で、被加工材料８の上端からの各位置における表面温度を放射温度計２９で測定した。

図５に示すように、被加工材料８の上端からマイクロ波供給口２２の上端面２２Ａ側へ約６０ｍｍの位置までの被加工材料８の表面温度は、２４５℃〜２５５℃でほぼ一定温度である。そして、被加工材料８の上端から約６０ｍｍの位置から約８０ｍｍまでの保持治具９の表面温度は、２５５℃から３００℃まで上昇している。更に、被加工材料８の上端から約８０ｍｍの位置から１００ｍｍ、つまり、約８０ｍｍの位置からマイクロ波供給口２２の上端面２２Ａまでの保持治具９の表面温度は、３００℃〜３２０℃である。

マイクロ波を負のバイアス電圧パルスの印加に対して先行するように供給するとき等、マイクロ波供給口２２の方にマイクロ波が集中する場合は、マイクロ波供給口２２の上端面２２Ａに近い位置に配置される保持治具９の表面温度の方が、被加工材料８の表面温度よりも高くなる。従って、温度測定領域９２は、マイクロ波供給口２２と被加工材料８との間に配置される保持治具９に形成されるのが望ましい。更に、温度測定領域９２は、マイクロ波供給口２２と被加工材料８との間に配置される保持治具９の外周面において、被加工材料８のマイクロ波供給口２２側の端面になるべく近い位置に設けることが望ましい。これにより、放射温度計２９によって、ＤＬＣ膜の成膜時における被加工材料８の高温部の表面温度を測定することが可能となる。

次に、放射温度計２９における測定波長帯の中心波長を４μｍ、放射率を０．９として、３００℃の各種放射率の物体の表面温度を測定する際の、各物体の放射率に対する温度誤差［℃］をシミュレーションした図６に基づいて説明する。
図６に示すように、放射率が０．２である物体表面の表面温度を測定した場合には、約１８０℃の温度誤差が生じている。従って、放射温度計２９の放射率を０．９に設定して、成膜処理中における保持治具９の温度測定領域９２の表面温度を測定する際、温度測定領域９２にＤＬＣ膜と同等の放射率を有する皮膜が形成されていない場合には、約１８０度の温度誤差を生じる可能性がある。

一方、温度測定領域９２の平面部９５の放射率が０．９±０．１の場合には、放射温度計２９の放射率を０．９に設定して、成膜処理中の表面温度を測定すると、表面温度の温度誤差を１０℃以下にすることが可能となる。
従って、温度測定領域９２の平面部９５に、ＤＬＣ膜や炭化ケイ素、ＮｉＯ、ＣｕＯ等の皮膜を、厚さ０．５μｍ以上の厚さで、全面に渡って予め形成する。そして、放射温度計２９の放射率を０．９に設定して成膜処理中の温度測定領域９２の表面温度を測定した場合には、表面温度の温度誤差を１０℃以下にすることが可能となる。

以上詳細に説明した通り、第１実施形態に係る成膜装置１では、保持治具９には、放射温度計２９によって測定される温度測定領域９２が設けられている。また、温度測定領域９２の平面部９５には、ＤＬＣ膜で形成された皮膜９５Ａが、厚さ０．５μｍ以上の厚さで、平面部９５の全面に渡って予め形成されている。これにより、温度測定領域９２の平面部９５の放射率を被加工材料８の処理表面に成膜されるＤＬＣ膜と同じ放射率にすることができる。従って、制御部６は、放射温度計２９によって、保持治具９に設けられた温度測定領域９２をＤＬＣ膜の放射率で測定することにより、保持治具９の金属基材の放射率で測定した場合よりも低誤差で測定することが可能となる。つまり、制御部６は被加工材料８の処理表面の正確な温度測定をすることができる。

また、マイクロ波供給口２２の方にマイクロ波が集中する場合は、マイクロ波供給口２２側の被加工材料８の表面温度の方が、負電圧電極２５側の被加工材料８の表面温度よりも高くなる可能性がある。このため、温度測定領域９２をマイクロ波供給口２２に近い位置に配置される保持治具９に設けることによって、放射温度計２９で被加工材料８の成膜処理中における表面温度を正確に測定することができる。

また、温度測定領域９２は被加工材料８の延長線上に沿って保持治具９に設けられているため、被加工材料８の処理表面に沿って伝搬する表面波が温度測定領域９２の表面にも伝搬する。即ち、被加工材料８の表面における表面波伝搬特性で、温度測定領域９２を被加工材料８の表面と同じ様に高密度プラズマによって加熱することができるため、放射温度計２９によって、被加工材料８の表面温度により近い表面温度を測定することができる。

また、保持治具９は、被加工材料８の外径にほぼ等しい外径の円柱状に形成されているため、被加工材料８と保持治具９とは段差を形成しないよう連続的に連結される。これにより、マイクロ波供給口２２から供給されるマイクロ波の表面波が反射、散乱されにくく、保持治具９の表面温度と被加工材料８の表面温度とがより同じになりやすい。この結果、放射温度計２９によって保持治具９の温度測定領域９２を測定することによって、被加工材料８の処理表面の正確な温度測定をすることができる。

また、温度測定領域９２の平面部９５は、放射温度計２９の測定方向９３に対して垂直なため、放射温度計２９による温度測定領域９２の温度測定の測定誤差の更なる低減化を図ることができる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る成膜装置４１について図７に基づいて説明する。尚、以下の説明において上記図１乃至図６の第１実施形態に係る成膜装置１の構成等と同一符号は、第１実施形態に係る成膜装置１の構成等と同一あるいは相当部分を示すものである。
第２実施形態に係る成膜装置４１の概略構成は、第１実施形態に係る成膜装置１とほぼ同じ構成である。

但し、図７に示すように、放射温度計２９によって表面温度を測定される温度測定領域９２が、保持治具９に替えて、負電圧電極２５に設けられている。この負電圧電極２５に設けられた温度測定領域９２は、負電圧電極２５の外周面に正面視略四角形に窪むように形成され、放射温度計２９の測定方向９３に対して垂直な平面部９５が、測定面として底面に形成されている。

負電圧電極２５は、マイクロ波の進行方向に垂直な方向の断面外周形状が、被加工材料８のマイクロ波の進行方向に垂直な方向の断面外周形状と同じになるように形成されている。例えば、負電圧電極２５は、被加工材料８の外径にほぼ等しい外径の円柱状に形成されている。従って、負電圧電極２５は、被加工材料８の外径とほぼ等しい外径の円柱状に形成されているため、温度測定領域９２は被加工材料８の延長線上に沿って設けられている。

また、平面部９５には、ＤＬＣ膜で形成された皮膜９５Ａが、厚さ０．５μｍ以上の厚さで、平面部９５の全面に渡って予め形成されている。これにより、放射温度計２９は、平面部９５の放射率を皮膜９５Ａの放射率、つまり、ＤＬＣ膜の放射率に設定して温度測定をすることが可能となる。

以上詳細に説明した通り、第２実施形態に係る成膜装置４１では、負電圧電極２５には、放射温度計２９によって測定される温度測定領域９２が設けられている。また、温度測定領域９２の平面部９５には、ＤＬＣ膜で形成された皮膜９５Ａが、平面部９５の全面に渡って予め形成されている。

これにより、温度測定領域９２の平面部９５の放射率を被加工材料８の処理表面に成膜されるＤＬＣ膜と同じ放射率にすることができる。従って、制御部６は、放射温度計２９によって、負電圧電極２５に設けられた温度測定領域９２をＤＬＣ膜の放射率で測定することによって、負電圧電極２５の金属基材の放射率で測定した場合よりも低誤差で測定することが可能となる。つまり、制御部６は被加工材料８の処理表面の正確な温度測定をすることができる。

また、被加工材料８を不図示の取付治具を介して保持治具９に取り付けた場合には、マイクロ波が負電圧電極２５の方に集中して、負電圧電極２５側の被加工材料８の表面温度の方が、マイクロ波供給口２２側の被加工材料８の表面温度よりも高くなることがある。このような場合には、温度測定領域９２を負電圧電極２５に設けることによって、放射温度計２９で被加工材料８の成膜処理中における表面温度を正確に測定することができる。

また、温度測定領域９２は被加工材料８の延長線上に沿って負電圧電極２５に設けられているため、被加工材料８の処理表面に沿って伝搬する表面波が温度測定領域９２の表面にも伝搬する。即ち、被加工材料８の表面における表面波伝搬特性で、温度測定領域９２を被加工材料８の表面と同じ様に高密度プラズマによって加熱することができるため、放射温度計２９によって、被加工材料８の表面温度により近い表面温度を測定することができる。また、温度測定領域９２の平面部９５は、放射温度計２９の測定方向９３に対して垂直なため、放射温度計２９による温度測定領域９２の温度測定の測定誤差の更なる低減化を図ることができる。

尚、温度測定領域９２を保持治具９と負電圧電極２５のそれぞれの外周面に設け、成膜処理中において、いずれかのうち、表面温度の高くなる方に設けられた温度測定領域９２を放射温度計２９によって測定するようにしてもよい。これにより、放射温度計２９で被加工材料８の成膜処理中における高温部の表面温度を正確に測定することが可能となる。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態に係る成膜装置５１について図８に基づいて説明する。尚、以下の説明において上記図１乃至図６の第１実施形態に係る成膜装置１の構成等と同一符号は、第１実施形態に係る成膜装置１の構成等と同一あるいは相当部分を示すものである。
第３実施形態に係る成膜装置５１の概略構成は、第１実施形態に係る成膜装置１とほぼ同じ構成である。

但し、図８に示すように、被加工材料８と負電圧電極２５との間に、ステンレスや低温焼戻し鋼等で形成された導電性を有する負電圧印加治具５２が設けられている。負電圧印加治具５２は、被加工材料８に対して処理容器２の内側に向かって突出するように同軸上に配置され、被加工材料８の先端部に着脱可能に取り付けられている。また、負電圧印加治具５２は、マイクロ波の進行方向に垂直な方向の断面外周形状が、被加工材料８のマイクロ波の進行方向に垂直な方向の断面外周形状と同じになるように形成されている。負電圧印加治具５２は本発明の治具の一例である。

具体的には、負電圧印加治具５２は、被加工材料８の外径にほぼ等しい外径の円柱状に形成されている。また、負電圧印加治具５２は、下端面の中央部に立設された断面円形の細い軸部５３が、被加工材料８の上端面の中央部に形成された断面円形の凹部８２に嵌入されることにより、着脱可能に取り付けられている。

また、負電圧印加治具５２の先端部には、負のバイアス電圧パルスを印加するための負電圧電極２５が、負電圧印加治具５２に対して処理容器２の内側に向かって突出するように同軸上に配置され、負電圧印加治具５２の先端部に電気的に接続されている。従って、負電圧印加治具５２及び負電圧電極２５は、被加工材料８の外径にほぼ等しい外径の円柱状に形成されているため、被加工材料８の先端部に対して段差を形成しないよう連続的に連結される。

また、図８に示すように、放射温度計２９によって表面温度を測定される温度測定領域９２が、保持治具９に替えて、負電圧印加治具５２に設けられている。この負電圧印加治具５２に設けられた温度測定領域９２は、負電圧印加治具５２の外周面に正面視略四角形に窪むように形成され、放射温度計２９の測定方向９３に対して垂直な平面部９５が、測定面として底面に形成されている。また、負電圧印加治具５２は、被加工材料８の外径とほぼ等しい外径の円柱状に形成されているため、温度測定領域９２は被加工材料８の延長線上に沿って設けられている。

また、平面部９５には、ＤＬＣ膜で形成された皮膜９５Ａが、厚さ０．５μｍ以上の厚さで、平面部９５の全面に渡って予め形成されている。これにより、放射温度計２９は、平面部９５の放射率を皮膜９５Ａの放射率、つまり、ＤＬＣ膜の放射率に設定して温度測定をすることが可能となる。

以上詳細に説明した通り、第３実施形態に係る成膜装置５１では、被加工材料８と負電圧電極２５との間に配置された負電圧印加治具５２には、放射温度計２９によって測定される温度測定領域９２が設けられている。また、温度測定領域９２の平面部９５には、ＤＬＣ膜で形成された皮膜９５Ａが、厚さ０．５μｍ以上の厚さで、平面部９５の全面に渡って予め形成されている。

これにより、温度測定領域９２の平面部９５の放射率を被加工材料８の処理表面に成膜されるＤＬＣ膜と同等の放射率にすることができる。従って、制御部６は、放射温度計２９によって、ＤＬＣ膜の放射率で温度測定領域９２を測定することにより、負電圧印加治具５２の金属基材の放射率で測定した場合よりも低誤差で測定することが可能となる。つまり、制御部６は被加工材料８の処理表面の正確な温度測定をすることができる。

また、被加工材料８を不図示の取付治具を介して保持治具９に取り付けた場合には、マイクロ波が負電圧印加治具５２の方に集中して、負電圧印加治具５２の表面温度の方が、被加工材料８の表面温度よりも高くなることがある。このような場合には、温度測定領域９２を負電圧印加治具５２に設けることによって、放射温度計２９で被加工材料８の成膜処理中における表面温度を正確に測定することができる。

また、温度測定領域９２は被加工材料８の延長線上に沿って負電圧印加治具５２に設けられているため、被加工材料８の処理表面に沿って伝搬する表面波が温度測定領域９２の表面にも伝搬する。即ち、被加工材料８の表面における表面波伝搬特性で、温度測定領域９２を被加工材料８の表面と同じ様に高密度プラズマによって加熱することができるため、放射温度計２９によって、被加工材料８の表面温度により近い表面温度を測定することができる。また、温度測定領域９２の平面部９５は、放射温度計２９の測定方向９３に対して垂直なため、放射温度計２９による温度測定領域９２の温度測定の測定誤差の更なる低減化を図ることができる。

尚、温度測定領域９２を保持治具９と負電圧印加治具５２のそれぞれの外周面に設け、成膜処理中において、いずれかのうち、表面温度の高くなる方に設けられた温度測定領域９２を放射温度計２９によって測定するようにしてもよい。これにより、放射温度計２９で被加工材料８の成膜処理中における高温部の表面温度を正確に測定することが可能となる。

尚、本発明は前記第１実施形態乃至第３実施形態に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることは勿論である。例えば、以下のようにしてもよい。

（Ａ）例えば、第２実施形態に係る成膜装置４１と第３実施形態に係る成膜装置５１において、保持治具９の替わりに、被加工材料８の一部が、マイクロ波供給口２２内の中心導体の延長線上において、中心導体となるように保持されてもよい。これにより、保持治具９を削除することができ、部品点数の削減化を図ることができる。

（Ｂ）また、例えば、第１実施形態乃至第３実施形態において、ＤＬＣ膜で形成された皮膜９５Ａが、平面部９５の全面に渡って予め形成されたがこれに限られない。保持治具９の外周面、負電圧電極２５の外周面、または負電圧印加治具５２の外周面の全面に渡ってＤＬＣ膜で形成された皮膜が予め形成されてもよい。この場合、保持治具９の外周面、負電圧電極２５の外周面、または負電圧印加治具５２の外周面の全面に渡ってＤＬＣ膜で形成された皮膜が温度測定領域である。また、温度測定領域は平面でなくても、任意の形状でよい。

１、４１、５１ 成膜装置
２ 処理容器
５ ガス供給部
６ 制御部
８ 被加工材料
９ 保持治具
１１ マイクロ波パルス制御部
１２ マイクロ波発振器
１３ マイクロ波電源
１５ 負電圧電源
１６ 負電圧パルス発生部
２２ マイクロ波供給口
２５ 負電圧電極
２７ 石英窓
２９ 放射温度計
５２ 負電圧印加治具
９２ 温度測定領域
９５ 平面部
９５Ａ 皮膜

Claims (7)

1. 導電性を有する被加工材料を内部に配置可能な処理容器と、
   前記処理容器に原料ガスと不活性ガスとを供給するガス供給部と、
   前記被加工材料の処理表面に沿ってプラズマを生成させるためのマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、
   前記被加工材料の処理表面に沿うシース層を拡大させる負のバイアス電圧を前記被加工材料に印加する負電圧印加部と、
   前記マイクロ波供給部から供給されるマイクロ波を拡大された前記シース層へ伝搬させるマイクロ波供給口と、
   前記負電圧印加部によって印加される負のバイアス電圧を前記被加工材料に印加させる負電極部材と、
   前記マイクロ波供給口と前記負電極部材との少なくとも一方と、前記被加工材料との間に配置されて、前記被加工材料に取り付けられる治具と、
   前記処理容器に設けられた窓部の外側に配置された放射温度計と、
   を備え、
   前記被加工材料に取り付けられる前記治具のうち、少なくとも一の前記治具は、前記放射温度計によって測定される温度測定領域を有し、
   前記放射温度計によって測定される前記温度測定領域の測定面は、前記被加工材料の処理表面に成膜される皮膜の放射率、又は前記皮膜の放射率に対して±０．１内の放射率を有することを特徴とする成膜装置。
2. 前記温度測定領域は、前記マイクロ波供給口と前記被加工材料との間に配置される前記治具に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記温度測定領域は、前記被加工材料の延長線上に沿って設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の成膜装置。
4. 前記治具の前記マイクロ波の進行方向に垂直な方向の断面外周形状が、前記被加工材料の前記垂直な方向の断面外周形状と同じであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の成膜装置。
5. 前記温度測定領域は、前記放射温度計の測定方向に対して垂直な平面部を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の成膜装置。
6. 前記皮膜は、ダイヤモンドライクカーボン膜であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の成膜装置。
7. 導電性を有する被加工材料を内部に配置可能な処理容器と、
   前記処理容器に原料ガスと不活性ガスとを供給するガス供給部と、
   前記被加工材料の処理表面に沿ってプラズマを生成させるためのマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、
   前記被加工材料の処理表面に沿うシース層を拡大させる負のバイアス電圧を前記被加工材料に印加する負電圧印加部と、
   前記マイクロ波供給部から供給されるマイクロ波を拡大された前記シース層へ伝搬させるマイクロ波供給口と、
   前記負電圧印加部によって印加される負のバイアス電圧を前記被加工材料に印加させる負電極部材と、
   前記処理容器に設けられた窓部の外側に配置された放射温度計と、
   を備え、
   前記負電極部材は、前記放射温度計によって測定される温度測定領域を有し、
   前記放射温度計によって測定される前記温度測定領域の測定面は、前記被加工材料の処理表面に成膜される皮膜の放射率、又は前記皮膜の放射率に対して±０．１内の放射率を有することを特徴とする成膜装置。

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