JP2016069714A - 基材保持具およびそれを備える成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】厚さおよび形状が異なる様々な基材の表面に同時に成膜を行う場合であっても、均一な皮膜を形成することが可能な基材保持具およびそれを備える成膜装置を提供する。
【解決手段】基材１１の表面に成膜を行う装置に設置される基材保持具１であって、基材１１を保持するための空間１２が形成されていると共に、１つ以上の貫通孔１３を有し、基材１１が、空間１２の中において、貫通孔１３の少なくとも一部を塞ぐように保持される、基材保持具。本発明の基材保持具１は、保持具１を装置に設置するための本体部２１と、基材１１を固定するための固定部２２とを備え、空間１２は、固定部２２が本体部２１に、スペーサー部２３を介して着脱可能に装着されることによって、固定部２２と本体部２１との間に形成され、貫通孔１３は、固定部２２に設けられる構成とすることが望ましい。
【選択図】 図４

Description

本発明は、基材保持具およびそれを備える成膜装置に関する。

鋼材が腐食環境下に曝されると、鋼材上において、その環境に応じた種々の腐食反応が生じ、その結果、鋼材表面に腐食生成物が形成される。そして、上記の腐食環境が、腐食生成物の構造および組成（元素、官能基、分子構造、結晶成分、非晶質成分等）に影響を及ぼし、さらに上記の腐食生成物形成後の腐食反応の進行は、腐食生成物の構造および組成に影響を受けることとなる。

そのため、腐食反応後の鋼材表面に形成された腐食生成物について、構造および組成の解析を行うことによって、腐食環境が腐食生成物の構造および組成に及ぼす影響、ならびに上記の腐食生成物の構造および組成が、その後の腐食反応の進行に及ぼす影響を明確化または推定することができるようになる。

腐食生成物の構造および組成を分析する方法として、例えば、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴ−ＩＲ）または赤外光音響分光法（ＩＲ−ＰＡＳ）が挙げられる。これらのＩＲ法を用いる場合、鋼材表面に形成された腐食生成物の官能基および分子構造等を同定し、または成分を定量化するためには、構造および組成が既知の皮膜を有する標準試料が必要となる。そして、当該標準試料は、深さ方向における皮膜の構造および組成の分布が制御された多層膜を有していることが要求される場合もある。

基材表面に多層からなる皮膜を形成するのに、一般的に種々の成膜装置が用いられている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開平１０−１０２２３６号公報

特許文献１に開示のスパッタ装置では、薄膜を形成するための基材は、試料台表面に保持された状態で成膜が行われることとなる。このような装置を用いる場合、厚さが異なる多種の基材に対して同時に成膜を行おうとすると、ターゲット材等の成膜源と基材表面との間の距離にばらつきが生じ、均一な皮膜を形成することが難しくなるという問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決し、厚さおよび形状が異なる様々な基材の表面に同時に成膜を行う場合であっても、均一な皮膜を形成することが可能な基材保持具およびそれを備える成膜装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記の基材保持具およびそれを備える成膜装置を要旨とする。

（１）基材表面に成膜を行う装置に設置される基材保持具であって、
該基材を保持するための空間が形成されていると共に、１つ以上の貫通孔を有し、
該基材が、該空間中において、該貫通孔の少なくとも一部を塞ぐように保持される、基材保持具。

（２）前記基材保持具を前記装置に設置するための本体部と、
該基材を固定するための固定部とを備え、
前記空間は、該固定部が該本体部に、スペーサー部を介して着脱可能に装着されることによって、該固定部と該本体部との間に形成され、
前記貫通孔は、該固定部に設けられる、上記（１）に記載の基材保持具。

（３）前記本体部が前記基材を加熱するための熱源を有すると共に、
前記本体部と前記固定部に固定された前記基材との間隙を充填し、該熱源から前記基材に熱を伝えるための伝熱体をさらに備える、上記（１）または（２）に記載の基材保持具。

（４）真空槽と、該真空槽内に設置された上記（１）から（３）までのいずれかに記載の基材保持具とを備える、成膜装置。

（５）該真空槽内に設置され、前記基材保持具に対向配置されたスパッタリングターゲットをさらに備える、上記（４）に記載の成膜装置。

（６）前記真空槽内において、前記基材保持具が回動可能に設置される、上記（４）または（５）に記載の成膜装置。

（７）前記真空槽内において、前記スパッタリングターゲットより上方に前記基材保持具が設置される、上記（５）または（６）に記載の成膜装置。

（８）前記スパッタリングターゲットを複数備える、上記（５）から（７）までのいずれかに記載の成膜装置。

本発明によれば、厚さおよび形状が異なる複数の基材の表面に対して同時に均一な皮膜を形成することが可能である。したがって、本発明に係る基材保持具およびそれを備える成膜装置は、構造および組成が制御された皮膜を有する標準試料を作製するのに好適に用いることができる。

本発明に係る基材保持具の一例を模式的に示した図である。（ａ）ａ−ａ線端面図、（ｂ）底面図。 本発明に係る基材保持具の他の一例を模式的に示した図である。（ａ）使用時におけるａ−ａ線端面図、（ｂ）固定部を外した状態におけるａ−ａ線端面図、（ｃ）底面図。 本発明に係る基材保持具の他の一例を模式的に示した図である。（ａ）ａ−ａ線端面図、（ｂ）底面図。 本発明に係る基材保持具の他の一例を模式的に示した図である。（ａ）ａ−ａ線端面図、（ｂ）底面図。 本発明に係る基材保持具を設置した成膜装置の一例を模式的に示した図である。 本発明に係る基材保持具を設置した成膜装置の他の一例を模式的に示した図である。 本発明に係る基材保持具を設置した成膜装置の他の一例を模式的に示した図である。

図１は、本発明に係る基材保持具の一例を模式的に示した図であり、図１（ａ）はａ−ａ線端面図、図１（ｂ）は底面図である。本発明の基材保持具１は、基材１１の表面に成膜を行うための装置に設置されるものであり、基材１１を保持するための空間１２が形成されていると共に、１つ以上の貫通孔１３を有し、基材１１が空間１２の中において貫通孔１３の少なくとも一部を塞ぐように保持されるものである。

本発明の基材保持具１において、空間１２の中に保持された基材１１は、貫通孔１３によってその一部の面が保持具の外部に露出され、当該露出された一部の面が被成膜面１１ａとなる。上記の構成とすることにより、様々な厚さを有する複数の基材１１の表面に同時に成膜を行う場合であっても、基材１１の被成膜面１１ａを同一平面に揃えることができるようになり、成膜装置内において、成膜源と基材表面との間の距離を一定に保つことが可能になる。

図２は、本発明に係る基材保持具の他の一例を模式的に示した図であり、図２（ａ）は使用時におけるａ−ａ線端面図、図２（ｂ）は固定部を外した状態におけるａ−ａ線端面図、図２（ｃ）は底面図である。

本発明の基材保持具１は、図１に示すように一体として成形された構成であっても良いが、図２に示すように、保持具を成膜装置に設置するための本体部２１と、基材１１を固定するための固定部２２とを備え、固定部２２がスペーサー部２３を介して本体部２１に装着されることによって、空間１２が固定部２２と本体部２１との間に形成される構成としても良い。上記の構成においては、貫通孔１３は固定部２２に設けられることになる。

上記の構成において、例えばネジ３１を用いて固定部２２と本体部２１とが着脱可能に装着されていれば、図２（ｂ）に示すように固定部２２を外した状態で基材１１の設置を行うことができるため、作業性が向上する利点がある。基材１１を固定部２２に固定する方法については特に制限はなく、両面テープ、接着剤、固定金具等を用いて固定すれば良い。なお、スペーサー部２３は本体部２１および固定部２２から独立した部材であっても良いし、本体部２１または固定部２２と一体成形されていても良い。

図３および４は、図２と同様に、本発明に係る基材保持具の他の一例を模式的に示した図であり、図３（ａ）および図４（ａ）はａ−ａ線端面図、図３（ｂ）および図４（ｂ）は底面図である。

貫通孔１３の形状については特に制限はなく、図２（ｃ）、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、基材１１の大きさおよび形状に応じて適宜選択すれば良い。種々の形状の貫通孔を複数有する固定部を用いることで、様々な大きさおよび形状の基材に対しても同時に最適な成膜を行うことが可能となる。

また、成膜を行うに際して、基材を加熱した状態で皮膜を形成することが要求される場合もある。この場合、本体部２１に図示しない熱源を設け、当該熱源により基材を加熱しながら成膜を行うことが可能である。本体部２１、固定部２２およびスペーサー部２３の全てに熱伝導性に優れる材料が用いられていれば、本体部２１に設けられた熱源による熱を基材に伝えることが可能である。しかしながら、このような構成では基材が設置される位置によって伝わる熱量にばらつきが生じる可能性がある。

そこで、図３（ａ）に示すように、本体部２１と固定部２２に固定された基材１１との間隙を充填し、上記の熱源から基材１１に熱を伝える伝熱体３２を備えていれば、熱源から基材１１の全てに対して短い経路で等しく熱を伝えることができるため、全基材を均一に加熱することが可能になる。

前述のように、本発明に係る基材保持具は、基材表面に成膜を行う装置に設置される。本発明の基材保持具を設置する成膜装置は、真空槽を備え、当該真空槽内において成膜を行う構成のものであることが好ましい。そのような成膜装置として、真空蒸着装置またはスパッタ成膜装置等が挙げられる。

図５は、本発明に係る基材保持具を設置した成膜装置の一例を模式的に示した図である。図５に示す成膜装置はスパッタ成膜装置であり、真空槽２と、真空槽内に設置された基材保持具１と、基材保持具１に対向配置されたスパッタリングターゲット３とを備える。

真空状態とした真空槽２の中に微量のＡｒガスを導入した状態で、スパッタリングターゲット３に高い負の電圧が印加されると、Ａｒガスはイオン化され、スパッタリングターゲット３の表面にプラズマが形成される。そして、イオン化されて陽イオンとなったＡｒイオンは、負の電圧が印加されたスパッタリングターゲット３に高速で衝突し、その衝撃によってターゲット表面からスパッタリング粒子が放出され、対向する基材表面に付着し成膜される。

この際、スパッタリングターゲットの材料が金属などの導体の場合、直流電源を用いれば良いが、材料が半導体または絶縁体の場合、材料表面に正の電荷が蓄積し、スパッタリングが即座に止まってしまう。そのため、スパッタリングターゲット３に半導体または絶縁体を用いる場合は、周波数を数ＭＨｚ程度まで高くした高周波の交流電源を用いる。したがって、スパッタ成膜装置は、図５に示すように、様々な材質のスパッタリングターゲットに対応可能なように、直流電源と交流電源とを切替可能な構成、または図６に示すように、負の直流電圧に高周波の交流電圧が重畳されたスパッタ電圧をスパッタリングターゲットに印加できる構成であることが望ましい。

さらに、スパッタリングターゲットの裏側に永久磁石を設置すると、ターゲット近傍に生成されるターゲット面と平行な磁力線およびスパッタリングターゲットに向いた電界によって、電子がスパッタリングターゲット近傍に閉じ込められるマグネトロン効果が起こり、低いガス圧力でもプラズマが維持される。その結果、スパッタリングされた粒子の平均自由工程が長くなり、対極に設置された基板上に、高い膜堆積速度で成膜することができる。

また、基材表面に均一な皮膜を形成するためには、基材保持具１は、真空槽２内において、回動可能に設置されていることが望ましい。回転しながらスパッタリングを行うことによって、ターゲットから放出された粒子が基材表面に均一に付着しやすくなる。

基材保持具を回転させる際、従来の試料台を保持具として用いた場合では、表面に保持された種々の厚さを有する基材の凹凸によってＡｒガスの流れにわずかな乱れが生じ、放電が不安定になる。しかしながら、本発明に係る基材保持具を用いた場合、基材表面を同一平面に揃えられているため凹凸がほとんど存在せず、Ａｒガスを攪拌する影響が最小限に抑制される。結果としてＡｒガスの放電状態が安定し、均質な皮膜の形成につながる。

スパッタ成膜装置においては、真空槽２内において、基材保持具１とスパッタリングターゲット３が対向配置されていれば位置関係については特に制限されない。しかしながら、基材保持具１をスパッタリングターゲット３より下方に設置した場合、真空槽２の真空状態を解いてパージガス（大気または乾燥窒素等）を導入した際に、基材表面にわずかな汚染物質が落下し付着するおそれがある。そのため、図５および６に示すように、スパッタリングターゲット３より上方に基材保持具１を設置することが望ましい。

さらに、図５および６に示すようにスパッタリングターゲット３は１種としても良いが、基材表面に多層膜を形成したい場合は、図７に示すように複数のスパッタリングターゲット３を備えても良い。

以上により、図１〜７を用いて本発明に係る基材保持具およびそれを備えた成膜装置の説明を行ったが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。

本発明によれば、厚さおよび形状が異なる複数の基材の表面に対して同時に均一な皮膜を形成することが可能である。したがって、本発明に係る基材保持具およびそれを備える成膜装置は、構造および組成が制御された皮膜を有する標準試料を作製するのに好適に用いることができる。

１．基材保持具
２．真空槽
３．スパッタリングターゲット
１１．基材
１１ａ 被成膜面
１２．空間
１３．貫通孔
２１．本体部
２２．固定部
２３．スペーサー部
３１．ネジ
３２．伝熱体

Claims (8)

1. 基材表面に成膜を行う装置に設置される基材保持具であって、
   該基材を保持するための空間が形成されていると共に、１つ以上の貫通孔を有し、
   該基材が、該空間中において、該貫通孔の少なくとも一部を塞ぐように保持される、基材保持具。
2. 前記基材保持具を前記装置に設置するための本体部と、
   該基材を固定するための固定部とを備え、
   前記空間は、該固定部が該本体部に、スペーサー部を介して着脱可能に装着されることによって、該固定部と該本体部との間に形成され、
   前記貫通孔は、該固定部に設けられる、請求項１に記載の基材保持具。
3. 前記本体部が前記基材を加熱するための熱源を有すると共に、
   前記本体部と前記固定部に固定された前記基材との間隙を充填し、該熱源から前記基材に熱を伝えるための伝熱体をさらに備える、請求項１または請求項２に記載の基材保持具。
4. 真空槽と、該真空槽内に設置された請求項１から請求項３までのいずれかに記載の基材保持具とを備える、成膜装置。
5. 該真空槽内に設置され、前記基材保持具に対向配置されたスパッタリングターゲットをさらに備える、請求項４に記載の成膜装置。
6. 前記真空槽内において、前記基材保持具が回動可能に設置される、請求項４または請求項５に記載の成膜装置。
7. 前記真空槽内において、前記スパッタリングターゲットより上方に前記基材保持具が設置される、請求項５または請求項６に記載の成膜装置。
8. 前記スパッタリングターゲットを複数備える、請求項５から請求項７までのいずれかに記載の成膜装置。