(57)【要約】【課題】金網をマグネトロン電極に一体に固定するため、マグネトロン電極と金網との距離は常に一定であるので、マグネトロン電極と試料との間の高さの調整だけで、金網に電子の突入により生じる温度上昇による試料表面への輻射熱の影響や金網の編みの隙間を通りぬける電子の量などの条件を一定にできる。【解決手段】減圧可能な試料室と、試料室内に設けられ、磁界発生手段とその下部側に設けられたターゲット金属とを付加した上部陰電極と、試料室内に設けられ、上部陰電極に対向して配置された下部陽電極と、上部陰電極と下部陽電極との間に放電電圧を印加する電源とを備え、試料表面にターゲット金属をスパッタリングにより形成するイオンスパッタリング装置において、上部陰電極の近傍で下部陽電極との間に下部陽電極と同電位の金網が上部陰電極に絶縁して設置し、金網を上部陰電極に連動して上下移動させることを特徴とする。【選択図】図１
2008007812.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
減圧可能な試料室と、該試料室内に設けられ、磁界発生手段と該磁界発生手段の下部側に設けられたターゲット金属とを備えた上部陰電極と、前記試料室内に設けられ、前記上部陰電極に対向して配置された下部陽電極と、前記上部陰電極と下部陽電極との間に放電電圧を印加する電源とを備え、試料表面に前記ターゲット金属をスパッタリングにより形成するイオンスパッタリング装置において、前記上部陰電極の近傍で前記下部陽電極との間に前記下部陽電極と同電位の金網が前記上部陰電極に絶縁して設置し、前記金網を前記上部陰電極に連動して上下移動させることを特徴とするイオンスパッタリング装置。
【請求項２】
請求項１において、前記上部陰電極と金網とは前記上下移動するその軸を回転させることによって前記上下移動させる電極上下調節手段を有することを特徴とするイオンスパッタリング装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記下部陽電極の上に前記試料を載置する試料ホルダが設けられていることを特徴とするイオンスパッタリング装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかにおいて、前記上部陰電極及び下部陽電極は、それらの外周形状が円形であることを特徴とするイオンスパッタリング装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかにおいて、前記金網は、その外周形状が円形であり、その直径が前記ターゲット金属より飛散される金属原子の飛散エリアよりも大きいことを特徴とするイオンスパッタリング装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかにおいて、前記磁界発生手段は、外周形状が円形であるヨークと、該ヨークの円形中心に設けられた永久磁石とを有し、前記ヨークの直径が前記下部陽電極の直径の半分以下であることを特徴とするイオンスパッタリング装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかにおいて、前記ターゲット金属は、その外周形状が円形であり、その直径が前記下部陽電極の直径の半分以下であることを特徴とするイオンスパッタリング装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかにおいて、前記試料室は、その内周形状が円形であり、その直径が前記下部陽電極の直径の２倍以上であることを特徴するイオンスパッタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非導電性試料にスパッタリングによって金属をコーティングし、導電性を持たせることのできる新規なイオンスパッタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マグネトロン電極の陰極であり、高さの可変な上部陰電極のターゲット金属と、陽極であり試料を固定した試料ホルダを設置可能な試料台との間に、陽極である試料台と同電位に接続され上下可変な金網が設置されている。マグネトロン電極によるプラズマ放電により、電極間に電界と磁界を共存させることで、プラズマ放電部では電子が気体分子と衝突する確立が増加するため磁界が存在しない場合と比べてより多くのイオンを生成することができ、高真空・低電圧でのスパッタリングができる。そのため残留気体分子の負イオンが試料に突入する速度が遅くなり試料損傷が抑えられ、更に、放電用電極間の上部陰電極近くに陽電極と同電位の金網を設置することで試料表面へ突入していた残留気体分子の負イオンとなった負イオンを金網へ流入させてやることで試料損傷を格段に低減していた。ターゲット金属として白金、金、パラジウム、炭素系等が用いられ、導電性を持たない電子顕微鏡などの試料へこれらの金属をコーティングすることで導電性を持たせることができる。
【０００３】
特許文献１には、上部陰電極のターゲット金属と下部陽電極の試料台間へ即ち放電用電極間の陰電極の近くに下部陽電極と同電位の金網を設置し、この金網を、上部陰電極とは別の上下可変機構により高さを調節し、試料表面へ突入していた残留気体分子の負イオンとなった負イオンを試料表面以外へ流入させてやることで、試料損傷を格段に低減したイオンスパッタリング装置が示されている。
【０００４】
この特許文献１のイオンスパッタリング装置においては、本発明の図１に示すイオンスパッタリング装置と同様の構造を有するので、それを用いて説明する。特許文献１のイオンスパッタリング装置は、チャンバ８、上蓋６、チャンバベース１３、ゴムパッキン３よりなる減圧可能な真空容器が、排気ホース１４を介して真空排気系により、数Ｐａ程度に排気し、マグネトロン電極７と金網１０間へ直流電源１により放電電圧を印加するとグロー放電が開始され、マグネトロン電極７の下方にプラズマ放電部２が発生する。このグロー放電で電子１７が真空容器内の気体分子と衝突した時に生じる気体正イオン４がターゲット金属９に入射すると、ターゲット金属９の金属原子１１が弾き飛ばされ試料台１２に設置された試料ホルダ１６上の試料表面に金属原子１１がコーティングされる。金属原子１１は、放射状に落下し、この時、電子１７と残留気体分子の負イオンとなった負イオン１５が金網１０に突入する。これにより試料ホルダ１６にはほとんど電子１７と残留気体分子の負イオン１５は突入されず、電子入射による試料の熱的損傷を低減するとともに負イオンによる試料のエッチングを防止できる。
【０００５】
試料ホルダ１６上に設置される試料の高さは一様でないので、マグネトロン電極７と試料台１２間の距離を一定に保つため、陰極であるマグネトロン電極７を電極上下調節機構５により任意の高さを調節できる構造となっている。そこで、金網１０はマグネトロン電極７の上下に追従できるよう、チャンバベース１３を通して設けられた金網上下調節機構により電極上下調節機構５とは別に独立に任意に高さを調節できる構造としている。これによりマグネトロン電極７の高さに対応して金網１０の位置を調節できるため、電子１７が金網１０に突入する距離を一定に設定することができ、金網１０に電子１７の突入により生じる温度上昇による試料表面への輻射熱の影響や金網１０の編みの隙間を通りぬける電子１７の量などの条件が一様にできる。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２８０１４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
引用文献１のイオンスパッタ装置にて、コーティング処理を行った際、上部陰電極のターゲット金属からスパッタされた金属原子は放射状に落下していき、上部陰電極のターゲット金属に対向して配置される下部陽電極の試料台上の試料表面に積層され、非導電性の試料は導電性が確保されるが、他方では、上部陰電極のターゲット金属からスパッタされた微粒子が試料室内面や下部陽電極の試料台以外の部分へも付着し、汚れによる絶縁破壊が発生するなどの問題があり、目的部のみにコーティングを形成させることが困難であった。
【０００８】
又、特許文献１においては、上部陰電極のターゲット金属と下部陽電極の試料台との間で、上部陰電極の近くに下部陽電極と同電位の金網を設置することにより、試料表面へ突入していた残留気体分子の負イオンとなった負イオンを試料表面以外へ流入させてやること、更に、下部陽電極に突入される電子を金網に集中させることが可能となり、試料表面への電子の突入を最少にすることができるので、試料表面の損傷を格段に低減した方法であるが、電極上下調節機構５と金網上下調節機構の２つの独立した調節機構があることによる両者のそれぞれの間隔を設定する必要があり、スパッタリング時間に比較してそれらの調整に手間がかかること、更に、操作の不便さや、チャンバ内面、試料台及び試料ホルダ以外の金網上下調節機構、チャンバベースなどに金属原子が付着・堆積し、汚れや絶縁破壊が発生し、しいては異常放電が発生するなどの問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、金網をマグネトロン電極に一体に固定するため、マグネトロン電極と金網との距離は常に一定であるので、マグネトロン電極と試料との間の高さの調整だけで、金網に電子の突入により生じる温度上昇による試料表面への輻射熱の影響や金網の編みの隙間を通りぬける電子の量などの条件を一定にできるイオンスパッタリング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、減圧可能な試料室と、該試料室内に設けられ、磁界発生手段と該磁界発生手段の下部側に設けられたターゲット金属とを備えた上部陰電極と、前記試料室内に設けられ、前記上部陰電極に対向して配置された下部陽電極と、前記上部陰電極と下部陽電極との間に放電電圧を印加する電源とを備え、試料表面に前記ターゲット金属をスパッタリングにより形成するイオンスパッタリング装置において、前記上部陰電極の近傍で前記下部陽電極との間に前記下部陽電極と同電位の金網が前記上部陰電極に絶縁して設置し、前記金網を前記上部陰電極に連動して上下移動させることを特徴とする。
【００１１】
上部陰電極と金網とは前記上下移動するその軸を通して回転させることによって前記上下移動させる電極上下調節手段を有すること、磁界発生手段は外周形状が円形であるヨークとヨークの円形中心に設けられた永久磁石とを有し、ヨークの直径が下部陽電極の直径の半分以下であることが好ましい。
【００１２】
即ち、本発明は、マグネトロン電極によるプラズマ放電により電極間に電界と磁界を共存させることにより、プラズマ放電部では電子が気体分子と衝突する確立が増加するため磁界が存在しない場合と比べて、より多くのイオンを生成することができ、高真空・低電圧でのスパッタリングが行え、残留気体分子の負イオンの試料突入速度が遅くなり、結果的に試料損傷が低減され、更に試料表面へ突入していた残留気体分子の負イオンを試料表面以外へ流入させて、試料損傷を格段に低減できると共に、スパッタリングによる金属原子の飛散エリアを制限し、更には、マグネトロン電極と金網の上下調節機構を１系統とし、操作を簡便としたものである。
【００１３】
又、本発明は、試料表面へ突入していた残留気体分子の負イオンとなった負イオンを試料表面以外へ流入させるための金網が、高さが可変で磁界発生手段を付加した上部陰電極に絶縁した状態で設置され、更には、減圧可能な試料室に設置した上部陰電極のターゲット金属と下部陽電極である試料台の大きさと、上部陰電極のターゲット金属と試料台の径を最適とし、非導電性試料の表面に金属をコーティングし導電性を持たせることができるものである。
【００１４】
具体的には、本発明は、マグネトロン電極へ絶縁した状態で金網を設置し、電極上下調節機構によりマグネトロン電極と金網が一体となって移動可能とすることと、直流電源の陽極を上蓋より絶縁した状態で導入することで、２系統あった調節機構を１系統とした。
【００１５】
更に、マグネトロン電極によるグロー放電について、磁界・電界などのシュミレーションを行うことで、電子や正負イオンの動きを特定しターゲット金属原子が飛散する様子やプラズマ放電の様子を解明した。その結果、より効果的に電子を金網に流入させる為に、ターゲット金属の直径よりも金網の直径を大きくし、結果的に金網設置位置で飛散するターゲット金属原子の飛散エリアから少しはみ出す直径にすることで電子の流入を最大限とすることが可能となる。
【００１６】
また、ターゲット金属の直径は試料台の直径の半分以下とすることで、マグネトロン電極によるプラズマ放電部を減少させ、マグネトロン電極に設置されたターゲット金属からスパッタされる金属原子の飛散エリアを制限させることで放射状に落下して行く範囲が制限され、試料台及び試料ホルダ以外へのターゲット金属原子の付着・堆積を軽減し絶縁破壊などの障害を軽減することが可能となり、実験によって試料へのコーティングレートや均一性に問題ないことが確認された。
【００１７】
同時にチャンバの径を試料台径の２倍以上にすることで、チャンバ内面がターゲット金属の飛散エリア外となることで、目的以外の部分へのターゲット金属原子の付着・堆積を軽減できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、金網をマグネトロン電極に一体に固定するため、マグネトロン電極と金網との距離は常に一定であるので、マグネトロン電極と試料との間の高さの調整だけで、金網に電子の突入により生じる温度上昇による試料表面への輻射熱の影響や金網の編みの隙間を通りぬける電子の量などの条件を一定にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本発明のイオンスパッタリング装置の断面図である。図１に示すように、チャンバ８、上蓋６、チャンバベース１３、ゴムパッキン３よりなる減圧可能な真空容器は排気ホース１４を介して真空排気系により、数Ｐａ程度に排気される。チャンバ８は直径１００〜１５０ｍｍの内周を有し、上部陰電極となるマグネトロン電極７、金網１０及び上部陽電極となる試料台１２間へ直流電源１により放電電圧を印加するとグロー放電が開始され、マグネトロン電極７の下方にプラズマ放電部２が形成される。このグロー放電で電子１７が真空容器内の気体分子と衝突した時に生じる気体正イオン４がターゲット金属９に入射すると、ターゲット金属９の金属原子１１が弾き飛ばされ、試料台１２に設置された試料ホルダ１６上の試料２３の表面に金属原子１１がコーティングされる。金属原子１１は、金属原子飛散エリア１８の範囲に落下していく。この時、電子１７と残留気体分子の負イオンとなった負イオン１５は金網１０に突入する。これにより試料ホルダ１６にはほとんど電子１７と残留気体分子の負イオン１５は突入されず、電子入射による試料の熱的損傷が低減されると共に、負イオンによる試料のエッチングが防止される。マグネトロン電極７とターゲット金属９とが一体に形成され、上部陰電極が構成される。
【００２０】
真空容器内には直流電源１に接続された放電用の上部陰電極となるマグネトロン電極７と下部陽電極となる試料台１２が配置される。磁界発生手段となるマグネトロン電極７は、外周形状が円形であるヨーク（Ｓ極）と、該ヨークの円形中心に設けられた永久磁石（Ｎ極）とを有し、電極上下調節機構５により任意に高さを変えることができる。また、マグネトロン電極７の下側にはターゲット金属９がターゲット支持部材２４によってヨークにネジ止めされる。試料台１２には試料ホルダ１６が設置され、試料ホルダ１６上に試料２３が搭載され、その表面にターゲット金属９の金属が被覆される。
【００２１】
電極上下調節機構５は、上下移動２２するその軸を回転２１させることによってマグネトロン電極７を２０〜５０ｍｍの範囲で上下移動２２させることができる。
【００２２】
試料ホルダ１６上に設置される試料２３の高さは一様でないので、マグネトロン電極７と試料台１２間の距離を一定に保つため、マグネトロン電極７を電極上下調節機構５により任意の高さを調節できる構造となっている。そして、マグネトロン電極７と試料台１２との間には、チャンバベース１３に電気的に接続された試料台１２に金網１０が電気的に接続されて設けられる。
【００２３】
金網１０は、外周形状が円形であり、直径０．２〜０．４ｍｍ程度のステンレス鋼線によって形成された２〜５ｍｍ四方のメッシュからなり、電極上下調節機構５の軸部に絶縁部１９を通して支持された複数本の横支柱２５とこの横支柱２５に固定された縦支柱２６とによって固定され、着脱自在である。又、金網１０はマグネトロン電極７に絶縁されて一体に固定され、電極上下調節機構5によりマグネトロン電極７の上下移動に連動して試料２３との間の高さを任意に変えることができる。そして、マグネトロン電極７と試料２３との間の高さを任意に設定した後においてもマグネトロン電極７と金網１０との距離は常に一定であるため、電子１７が金網１０に突入する距離が一定となり、金網１０に電子１７の突入により生じる温度上昇による試料表面への輻射熱の影響や金網１０の編みの隙間を通りぬける電子１７の量などの条件を一定にできる。
【００２４】
そして、下部陽電極に突入される電子を金網１０に集中させることが可能となり、試料２３表面への電子の突入を最少にすることができるので試料損傷の少ない試料作成が可能となる。
【００２５】
本実施例においては、試料台１２の外形が円形でその直径に対し外形が円形であるマグネトロン電極７及びターゲット金属９を半分以下の直径とし、ダーゲット金属９より飛散する金属原子１１の飛散エリアを制限することで、飛散した金属原子１１が試料台１２以外の部分へ付着・堆積することを軽減することができる。
【００２６】
又、本実施例においては、試料台１２の外形が円形でその直径に対し外形が円形であるマグネトロン電極７及びターゲット金属９を半分以下の直径としたマグネトロン電極７の下方に発生したプラズマ放電部２もそのエリアが半減し、このグロー放電で電子１７が真空容器内の気体分子と衝突した時に生じる気体正イオン４がターゲット金属９に入射すると、ターゲット金属９の金属原子１１が弾き飛ばされるエリアが狭くなるので、試料台１２の範囲だけに金属原子１１がコーティングされる。
【００２７】
更に、チャンバ８の内周形が円形でその直径を試料台１２の直径より約２倍とすることで、金属原子１１の飛散エリア１８から外れ、目的外の金属原子１１の付着・堆積を回避でき、結果的に清掃の手間が軽減できる。
【００２８】
本実施例では、ターゲット金属９として白金、金、パラジウム、炭素系等が用いられ、導電性を持たない電子顕微鏡で観察する試料２３へこれらの金属をコーティングすること等の導電性を持たせることができる。そして、本実施例でのスパッタリング時間は数十秒〜１分程度と極めて短時間で行われる。
【００２９】
以上のように、本実施例によれば、金網をマグネトロン電極に一体に固定するため、マグネトロン電極と試料との間の高さを任意に設定した後においてもマグネトロン電極と金網との距離は常に一定であるので、マグネトロン電極と試料との間の高さの調整だけで電子が金網に突入する距離が一定となり、金網に電子の突入により生じる温度上昇による試料表面への輻射熱の影響や金網の編みの隙間を通りぬける電子の量などの条件を短時間で一定にできる。
【００３０】
又、本実施例よれば、試料台の範囲だけに金属原子をコーティングできるので、試料台及び試料ホルダ以外の部分へのターゲット金属原子の付着・堆積を軽減し、チャンバ内面や試料台周辺の清掃の手間を軽減することができる。従って、従来のプラズマ放電による広範囲への金属原子コーティングによる汚れからなる絶縁破壊や清掃の手間がかかるといった欠点を解決でき、又、マグネトロン電極及びターゲット金属の径を小さくできると共に、マクネトロン電極と金網を同一の調節機構とすることで操作が簡便となり、操作性が高められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係るイオンスパッタリング装置の断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１…直流電源、２…プラズマ放電部、３…ゴムパッキン、４…気体正イオン、５…電極上下調節機構、６…上蓋、７…マグネトロン電極、８…チャンバ、９…ターゲット金属、１０…金網、１１…金属原子、１２…試料台、１３…チャンバベース、１４…排気ホース、１５…負イオン、１６…試料ホルダ、１７…電子、１８…金属原子飛散エリア、１９…絶縁部、２０…絶縁部、２１…回転、２２…上下移動、２３…試料、２４…ターゲット支持部材。
【図１】
2008007812.tif 000003