目次

分析機器解説シリーズ（１０）・･・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・2高周波スパッタ装置
集中法粉末Ｘ線回折計講習会・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・7
お知らせ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 10
あとがき・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 10

CENTER OF ADVANCED INSTRUMENTAL ANALYSISKYUSHU UNIVERSITY

★分析機器解説シリーズ（10）★
高周波スパッタ装置
理学部

青峰隆

文

高周波スパッタ装置はいわゆる分析機器でなく、薄膜を作成する装置であるが、このたび、中央分析センターに高周波スパッタ装置が入ったのを機会にこの装置を紹介する。
図 1 はその装置の外観である。

私達の研究室ではここ数年来、高周波スパッタ装置を使用して導体および絶縁体の薄膜の作成を行なっている。スパッタ装置を使えば、下地基板との密着性の良い薄膜や、高融点物質の薄膜ができるため、私達は大いにスパッタ装置を利用している。
１．スパッタによる薄膜生成機構
スパッタとは高速の粒子（多くは正イオン）が固体表面に衝突し、国体表面から、固体表面を形成する原子や分子をたたき出すことを言う。私達の身近なスパッタの例とし−2−

て、よく見かけることができるものに、ソケット附近が黒っぽくなった蛍光灯がある。
これは蛍光灯の電極がスパッタされ、そのまわりに付着したために起こる現象である。
この蛍光灯におけるスパッタは防がねばならぬが、スパッタを積極的に利用するのが薄膜作成である。近年、集積回路の電極作成にも盛んにスパッタが使われている。
では、いかに高速の粒子を作り、団体に衝突させるかについて以下述べる。いま、低圧の気体中にある二つの電極の間に高電圧を加える。考え方を簡単にするため、ここでは直流の高電圧とする。気体中になんらかの原因で存在する少数の電子は気体分子と衝突しながら、電場のエネルギーを吸収して、次第次第に加速され、ついには、気体分子を電離して、電子を放出させるようになる。放出された電子は他の気体分子を電離してイオンを作る。このように放電によって多数のイオンと電子が作られる。作られたイオンは電場によって加速され、陰極に向い、陰極附近で電界放射された電子によって中和されるが、エネルギーはそのまま保たれ、陰極に置いてある固体（ターゲットと言う）に衝突する。固体内部に侵入した気体分子は構成する原子や分子と衝突しながら、そのエネルギーを失うが、原子が相互に衝突を繰り返し、ついには固体の表面の原子や分子が外部にたたき出される。たたき出された原子や分子が陽極に置いてある基板に積み重ねられ、このようにして薄膜が形成されるわけである。
薄膜が形成される場合、形成される速度（付着速度）が大きい方が、一般には良いわけであるが、その速度はスパッタ率に依存する。スパック率とは 1 個のイオンより放出される原子の数を指すが、イオンの種類、イオンのエネルギー、また、ターゲットの物質の種類によっても大きく異なる。イオンの種類としては不活性ガスが大きなスパッタ率をもっている。通常、経済性の理由からアルゴンガスを使用する。また、不活性ガスは他の物質と反応しないことからも望ましいガスである。イオンのエネルギーに対しては、数１０Ｖ以下のエネルギーではスパッタは起こらない。エネルギーを数１０Ｖ以上増大させると、エネルギーの２乗でスパッタ率は大きくなる。さらにエネルギーが大きくなると、スパッタ率はエネルギーの平方根に比例して大きくなるが、もっとエネルギーが大きくなると、スパッタ率の増加は飽和する。スパッタ率が飽和するよりさらにエネルギーを大きくすると、スパッタ率は低下する。低下するのは気体のイオンが固体中に侵入し、イオンのエネルギーが広範囲の原子に与えられるからだと言われている。スパッタを行う時のイオンのエネルギーの上限は１０kV 程度である。スパッタ率の大きい−3−

物質は貴金属であり、小さいものは C、Si、Ti、V、Zr、Nb、Ta、W である。
２．スパッタ装置
中央分析センターに入ったスパッタ装置の構成図を図２に示す。

−4−

スパッタ装置には電極が二つ、三つ、四つのものがあり、それぞれ二極、三極、四極と呼んでいる。スパッタ現象は二極であれば原理的に起こるが、スパッタ時の気体の圧力を低下させたいとか、ターゲットの電圧と電流を独立に制御したいという要求に答えるものが、三極、四極である。放電を安定にすろ電源があるものが四極、ないものが三極である。
電圧を直流か、交流のどちらで与えるかで、また分類される。電圧、電流および静電容量の値を考えると、交流は 1 0 0 k H z 〜 1 0 0 M H z の高周波になっていれば、正イオンをターゲットに衝突させることができる。通常の市販品の周波数は 13.5 6MHz である。
絶縁体をスパッタするには交流が必要である。高周波で、つまり交流でなぜ、片方の電極に置いたターゲットの物質が他方の電極に置いた基板に飛んで行くかであるが、ターゲットが絶縁体の場合を考えてみる。正イオンは電子に比べ質量が大きく、動きにくい。
電子は正イオンに比べ動きやすい。したがって、絶縁体であるターゲット表面には電子がたまりやすく、自動的に負の電圧がかかることになる。それに反して基板側は通常アースされ、導電性の部分を通して、電子は逃げやすくしている。このため、正イオンは基板側には動けないが、ターゲット側には電子による負電荷によって引き寄せられ、ターゲットに到達してスパッタを起こす。以上の理由のため、交流においてもスパッタは一方向のみ行われるのである。高周波のスパック装置では、導体をスパッタできるよう、電子がターゲットにたまりやすくするよう、ターゲットと直列にコンデンサーを入れている。
薄膜の付着速度を大きくするためには、スパッタ率を大きく選ばねばならぬことは前述したが、その他ターゲット附近に正イオンと電子が集中するように工夫する。また、スパッタされた原子や分子がターゲットヘ逆戻りすることを防ぐようにする必要がある。
ターゲット附近に高密度の正イオンと電子が集中するようにするためには、電界と磁界が直交するマグネトロン放電を利用し、電子がターゲット近くを連続した軌道に沿って運動できるようにする。このような電子の連続軌道は、平板型電極、同軸型電極にて可能である。
中央分析センターの装置は以上の分類で言うと、平板型マグネトロン電極を用いた、二極高周波スパッタ装置ということになる。磁界を採用しているため、磁性体のスパッタは行えない。また、中央分析センターの装置では、正イオンが基坂に飛んで釆て、基−5−板表面をスパッタし、清浄な表面を出した後、通常のスパッタを行なって薄膜をつくることができる、いわゆるスパッタエッチができるようになっている。そのため、構成図（図 2）においてわかるように逆マッチングボックスが付いている。
図 3 はスパック装置のベルジア内部を示す。中央にターゲットを置く電極板、また、瑞に膜厚モニタのヘッドやシャッターが見える。

最後に中央分析センターの高周波スパッタ装置の性能をまとめて示す。
到達真空度

7×10‑5 Pa 以下

ターゲットの大きさ

直径４インチ

付着速度

SiO2 の場合
0.1μm/min 以上（直径 50mm 内の平均）

膜厚分布

直径 50mm 以内で±15％以下

基板加熱温度

最高 300℃（ただし、スパッタエッチの時には基板加熱できない）

高周波電源の電力

最大１kW−6−★

集中法粉末Ⅹ線回折計講習会

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理学部

岡崎篤

西独・STOE 社製の標題装置は 60 年 3 月に設置され、世話講座による整備がはば完了しましたので、11 月下旬に講習会を行います。日時、場所、受講の申込み方法などは追ってセンターから御案内します。なおこの講習会は、測定責任者（教官）の認定を兼ねており、測定責任者の決まった研究室は随時利用可能となります。なおこの講習会は複数回行う予定です。
装置の概要は、センターニュース 8、9 両号に紹介した通りですが、特色は、高分解能測定が短時間で可能な点にあります。実例を次に示します。

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第 1 図は、試料が合金薄膜（厚さ約 20／μm）の場合。（a)センターに既設の従来の型の粉末回折計によるパターン。（b)が本装置による回折パターン。同一試料を用い、線源に C u 対陰極の微小焦点管球を使用。管電圧 4 5 k V 、管電流 2 0 m A 。測定時間は共に 5 0分。

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第 2 図は有機結晶試料の場合で、(a)が従来の型の粉末回折計によるパターン。(b)が本装置によるもの。測定時間は 30 分。
両図から、本装置の分解能、SN 比の総合的な優秀さを読み取って頂けると思います。
上記の例は、試料からの散乱強度が弱い場合で、条件の良い場合には 3 分程度の測定時間で、2θ で 50°の角度範囲のパターンが得られます。従来の型の回折計では 1 桁長い測定時間が必要です。
なお予算の都合で、回折パターンをプロットするのに必要なソフト（約 90 万円）とプロツター（約 50 万円）とは未購入です。ここに示した図は、センターに既設のエネルギー分散型Ｘ線回折計のマルチチャンネルアナライザー、マイコンおよびプロツターを流用して画いたものです。これらが本来の目的に使用されている場合は、プリンターのデジタル出力をマニュアルにプロットすることになり相当な労力を要します。
この回折計は、利用者が最も多い機器になると思われますので整備にも特に力を入れて来ましたが、人手、予算ともに不足しています。利用者各位の色々な面での御協力を期待します。なお島津Ｘ線回折計と本集中法回折計とは、結晶解析室から、2 つエレベーター寄りの部屋（試料準備室）に移動しました。これでかなり広いスペースで測定ができることになりました。関係者の皆様の御尽力に感謝致します。

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お知らせ★

○ 島津Ｘ線回折計は、試料準備室に移設しました。この装置の使用は 10 月から出来ます。
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集中法粉末Ｘ線回折計は、11 月下旬予定の講習会後直ちに使用出来ます。
詳細は「集中法粉末 X 綽回折計講習会」をご参照下さい。

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金属中水素分析装置が特別設備として認められ、本年度工学分室に設置されます。機
種は決定次第お知らせします。

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陶山助手が 8 月 1 日付で、ファインセラミックスセンター（名古屋市）に転出しました。

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あとがき

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分析機器解説シリーズ（10）の高周波スパッタ装置は、本年 3 月中央分析センターに特別設備として設置されましたので、青峰隆文先生にご解説をお願い致しました。

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集中法粉末Ｘ線回折計につきましては、講習会を世話講座にお願いしておりますが、この件につきまして岡崎篤先生からご寄稿を頂きました。

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