JP2008056994A - Plasma ion metal deposition apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は走査型電子顕微鏡を利用する際の試料の前処理として走査電子顕微鏡における電気の不良導体試料の表面に導電性被膜を形成するもので、走査電子顕微鏡像観察に際して発生する帯電現象を除去すると共に、2次電子の発生効率を助長する金属被着のための前処理装置としてのプラズマイオン金属被着装置に関する。 The present invention forms a conductive film on the surface of a defective conductor sample in a scanning electron microscope as a pretreatment of the sample when using a scanning electron microscope, and eliminates the charging phenomenon that occurs during observation of a scanning electron microscope image. In addition, the present invention relates to a plasma ion metal deposition apparatus as a pretreatment apparatus for metal deposition that promotes the generation efficiency of secondary electrons.
走査電子顕微鏡(SEM)の観察には試料の表面は電気の良導体であることが条件となる。このため生物試料や無機化合物の如き電気の不良導体試料は表面に数十nmの薄い金属膜、あるいは炭素膜を形成させてから観察を行う。 The observation with a scanning electron microscope (SEM) requires that the surface of the sample is a good electrical conductor. For this reason, a defective electrical conductor sample such as a biological sample or an inorganic compound is observed after a thin metal film or carbon film of several tens of nm is formed on the surface.
SEM試料における導体膜被着には真空蒸着装置、あるいはイオンスパッタリング金属被着装置を利用して金、白金、あるいはこれらの合金を被着させて観察する。被着する金属粒子は連続膜とする必要から、ある程度の厚さを必要とする。このため試料表面の微細構造は隠蔽され、また被着金属は結晶化して粗大粒子となり試料表面の構造と混同して正確な判断を阻害している。 Conductive film deposition on the SEM sample is performed by depositing gold, platinum, or an alloy thereof using a vacuum deposition apparatus or an ion sputtering metal deposition apparatus. Since the metal particles to be deposited need to be a continuous film, a certain thickness is required. For this reason, the fine structure of the sample surface is concealed, and the deposited metal is crystallized to become coarse particles, which are confused with the structure of the sample surface and prevent accurate judgment.
帯電防止に炭素の蒸着も利用されるが、炭素は2次電子の発生効率が悪くX線分析を主とする場合にのみ用いられる。時には金属の導電性不足を補填するための補助手段としても利用される。しかし複雑な形状の試料に対しては10nm以上の厚さが必要となるため、蒸着膜全体が厚くなり微細構造は埋没して観察できない。 Carbon deposition is also used for antistatic, but carbon is used only when the generation efficiency of secondary electrons is low and X-ray analysis is mainly used. Sometimes it is also used as auxiliary means to compensate for the lack of electrical conductivity of the metal. However, since a thickness of 10 nm or more is necessary for a sample having a complicated shape, the entire deposited film becomes thick and the fine structure is buried and cannot be observed.
この問題の解決には試料表面の微細構造を失わない程度の薄い導電性被膜を形成させることと、この薄い膜が走査電子顕微鏡の像形成に十分な2次電子放出効率を有するという条件が必要である。
イオンスパッタリングによって厚さ1nm程度に被着したPt、またはPt−Pdの粒子は粒子自身も1nm以下で2次電子放出能力もあり、試料表面の微細構造の観察に十分な可能性を持っている。しかし、複雑な形状の試料に対しては連続膜を形成させることが不可能で帯電防止には不十分である。
In order to solve this problem, it is necessary to form a thin conductive film that does not lose the fine structure of the sample surface, and that the thin film has sufficient secondary electron emission efficiency for scanning electron microscope image formation. It is.
Pt or Pt—Pd particles deposited to a thickness of about 1 nm by ion sputtering have a secondary electron emission capability of less than 1 nm, and have sufficient potential for observing the fine structure of the sample surface. . However, it is impossible to form a continuous film for a sample having a complicated shape, which is insufficient for preventing charging.
走査電子顕微鏡用試料の導電性被膜形成手段の一つとして、4酸化オスミウムガスを原料としてプラズマイオン堆積により金属オスミウム(Os)として被着させる手段がある。プラズマ堆積Os膜は1nm以下の薄い膜でも連続膜を形成し、複雑な形状の試料表面に対しても帯電防止効果を発揮する。 As one of means for forming a conductive film of a sample for a scanning electron microscope, there is a means for depositing metal osmium (Os) by plasma ion deposition using osmium tetroxide gas as a raw material. The plasma deposited Os film forms a continuous film even with a thin film of 1 nm or less, and exhibits an antistatic effect even on a sample surface having a complicated shape.
プラズマイオン堆積によるOsの被着において、カソード上に試料を置き、5〜6Pa程度の希薄4酸化オスミウムガスの雰囲気に於て放電させる平面カソードの場合、その放電電圧は約1000〜1500Vである。このような高電圧では試料はエネルギーの大きなオスミウムイオンの衝撃で損傷を受ける。 In the case of a flat cathode in which a sample is placed on the cathode and discharged in an atmosphere of dilute osmium tetroxide gas of about 5 to 6 Pa in the deposition of Os by plasma ion deposition, the discharge voltage is about 1000 to 1500V. At such a high voltage, the sample is damaged by the impact of high-energy osmium ions.
その対策としてカソードをホローカソードとし、試料はカソード内に絶縁して設置することにより、オスミウムガス雰囲気での放電電圧は平面電極の2分の1以下になる。これにより、試料に対するイオンの衝撃力は4分の1以下になり、試料損傷を軽減できる。例えば、下記の特許文献1と特許文献2は、このようなホローカソードを使用した被膜形成装置を記載している。 As a countermeasure, the cathode is a hollow cathode, and the sample is insulated and installed in the cathode, so that the discharge voltage in the osmium gas atmosphere is less than half that of the planar electrode. Thereby, the impact force of the ion with respect to a sample becomes 1/4 or less, and sample damage can be reduced. For example, Patent Document 1 and Patent Document 2 described below describe a film forming apparatus using such a hollow cathode.
このようなホローカソード放電を利用したプラズマイオン堆積による金属被膜の成膜において、例えば、半導体ウエハの微細回路パターンをSEMにより観察して検査するような場合には、大きな面積の試料を同時に複数個処理する要請が高まっている。しかし、大きな面積の試料を同時に複数個処理するためには、直径250mmを超えるような広い面積の試料台が必要となる。そのためには、ホローカソードの面積を広くとる必要がある。 In the formation of a metal film by plasma ion deposition using such hollow cathode discharge, for example, when a microcircuit pattern of a semiconductor wafer is observed and inspected by SEM, a plurality of samples having a large area are simultaneously formed. There is an increasing demand for processing. However, in order to process a plurality of samples having a large area at the same time, a sample table having a large area exceeding the diameter of 250 mm is required. For this purpose, it is necessary to increase the area of the hollow cathode.
ホローカソードは、円板電極の周囲に円筒状の周壁を起立されたものである。このホローカソードでのプラズマ密度はカソードの直径に対して円筒状の周壁の深さが深い程大となり安定したプラズマが得られる。しかし、ホローカソードの径を大きくし、それに見合った深さを得るためには、ホローカソードの深さを相当大きくとる必要があり、装置が大型になるという課題がある。
本発明は、前記従来におけるホローカソード放電を利用したプラズマイオン堆積によるプラズマイオン金属被着装置における課題に鑑み、広く浅いホローカソードであっても、密度の高いプラズマを形成することが出来、安定して金属被膜を成膜することが出来るプラズマイオン金属被着装置を提供することを目的とする。 In view of the problems in the conventional plasma ion metal deposition apparatus using plasma ion deposition utilizing hollow cathode discharge, the present invention can form a high-density plasma stably even with a wide and shallow hollow cathode. It is an object of the present invention to provide a plasma ion metal deposition apparatus capable of forming a metal film.
本発明では、前記の目的を達成するため、金属被膜を形成する試料7を載せる試料台4を設けたホローカソード3の円筒状のカソード周壁3bからその内側に張り出す円環状の遮蔽壁3aを設け、被膜形成用の原料ガスを、ホローカソード3のカソード周壁3b側からその中に導入するようにし、前記遮蔽壁3aでホローカソード3の中のプラズマ領域を制限して密度の高いプラズマを発生させるようにした。
In the present invention, in order to achieve the above object, an
すなわち、本発明によるプラズマイオン金属被着装置は、希薄ガス雰囲気に維持される真空チャンバ1内で対向するアノード2とホローカソード3と、これらアノード2とホローカソード3にプラズマ放電のための電圧を印加する電圧印加回路18と、真空チャンバ1内に原料ガスを供給する原料ガス供給室10と、ホローカソード3の中に金属被膜を形成する試料7を載せる試料台4とを備える。ホローカソード3のカソード周壁3bの上縁からホローカソード3の内側に張り出した円環状の遮蔽壁3aを設け、このホローカソード3の中に被膜形成用の原料ガスを導入するものである。具体的には、被膜形成用の原料ガスは、ホローカソード3のカソード周壁3b側から試料台4の上のプラズマ領域に導入する。
That is, the plasma ion metal deposition apparatus according to the present invention has an anode 2 and a hollow cathode 3 facing each other in a vacuum chamber 1 maintained in a rare gas atmosphere, and a voltage for plasma discharge is applied to the anode 2 and the hollow cathode 3. A
本発明によるプラズマイオン金属被着装置は、ホローカソード3の円筒状のカソード周壁3bからその内側にせり出す円環状の遮蔽壁3aを設けているため、ホローカソード3の中のプラズマ領域はこの遮蔽壁3aにより制限される。そして、このホローカソード3の中に原料ガスを導入することにより、原料ガスは、ホローカソード3の中の制限されたプラズマ領域で電離され、プラズマが発生する。これにより、広く且つ浅いホローカソード3であっても、高いプラズマ密度が得られる。
Since the plasma ion metal deposition apparatus according to the present invention is provided with an
特に、被膜形成用の原料ガスは、ホローカソード3のカソード周壁3b側からその中に導入すると、ホローカソード3の円筒壁1cからその内側にせり出す円環状の遮蔽壁3aが原料ガスをプラズマ領域に案内する機能を有する。これにより効率的且つ安定的に高いプラズマ密度が得られる。
In particular, when the raw material gas for forming the film is introduced into the hollow cathode 3 from the cathode
以上説明した通り、本発明によれば、広く且つ浅いホローカソード3であっても、効率的且つ安定的に高いプラズマ密度が得られるので、広いホローカソード3を深くする必要が無くなる。これにより、比較的広い試料台4を備えるプラズマイオン金属被着装置を、小形に構成することが出来る。 As described above, according to the present invention, even if the hollow cathode 3 is wide and shallow, a high plasma density can be obtained efficiently and stably, so that it is not necessary to deepen the wide hollow cathode 3. Thereby, the plasma ion metal deposition apparatus provided with the comparatively wide sample stand 4 can be comprised small.
ホローカソードの放電によるプラズマ密度はカソード周壁の直径に対してカソード周壁の深さが深いほど密度が大になる。試料台の直径が大きくなるとホローカソード内の試料設置面積が大きくなるが、それに比例してホローカソードを深くすることは装置の大型化という問題から困難である。本発明では、これを補うためホローカソードのカソード側壁上縁部から内側に遮蔽壁を張り出したものであり、これによりプラズマ密度を高くすることを可能とした。 The plasma density due to the discharge of the hollow cathode increases as the depth of the cathode peripheral wall increases with respect to the diameter of the cathode peripheral wall. When the diameter of the sample stage increases, the sample installation area in the hollow cathode increases. However, it is difficult to deepen the hollow cathode in proportion to this because of the problem of increasing the size of the apparatus. In the present invention, in order to compensate for this, a shielding wall is projected inwardly from the upper edge of the cathode side wall of the hollow cathode, thereby making it possible to increase the plasma density.
本発明の一実施例によるホローカソードを用いたプラズマイオン金属被着装置を図1に示す。
真空チャンバ1は、天板1aと底板1dとを平行に対向させ、その外周側に円筒形のガラス板からなる周壁1cを気密に挟んでいる。この真空チャンバ1の天板1aの内面、すなわち下面は汚染防止板1bにより覆われている。
A plasma ion metal deposition apparatus using a hollow cathode according to an embodiment of the present invention is shown in FIG.
The vacuum chamber 1 has a top plate 1a and a
この真空チャンバ1には、電磁バルブ等の開閉バルブ14を介してロータリーポンプ等の真空排気装置13が接続されている。真空チャンバ1の中に、後述する4酸化オスミウム等の腐食性の強いガスを導入する場合は、真空排気装置13にはオスミウムガスに犯されないフッ素系の真空油を使用し、ポンプの排出側に活性炭またはゼオライトなどの活性ガス吸収装置を設ける。真空チャンバ1内の真空度は排気配管に設けた真空ゲージ15にて測定する。
A
真空チャンバ1の上板1aには、その中心に絶縁ブッシュ8aが貫通しており、この絶縁ブッシュ8aに絶縁された状態で真空チャンバ1の上板1aの下に円板状のアノード2が設けられている。
また、この真空チャンバ1には、その上板1aにおいて、真空チャンバ1内に空気を導入するエアリークバルブ17が設けられている。
An insulating bush 8a passes through the center of the upper plate 1a of the vacuum chamber 1, and a disc-shaped anode 2 is provided below the upper plate 1a of the vacuum chamber 1 while being insulated by the insulating bush 8a. It has been.
Further, the vacuum chamber 1 is provided with an
他方、真空チャンバ1の底板1dには、その中心に絶縁ブッシュ8bが貫通しており、この絶縁ブッシュ8bに絶縁された状態で真空チャンバ1の底板1dの上にホローカソード3が設けられている。前記アノード2とこのホローカソード3とは真空チャンバ1の中で上下に対向している。
On the other hand, an
ホローカソード3は、真空チャンバ1の底板1dの上に配置された円板状のカソード底板3cと、このカソード底板3cの外周部から立ち上がった円筒形のカソード周壁3bと、カソード周壁3bの上縁部からホローカソード3の内側に張り出した円環状の遮蔽壁3aとからなる。例えば、カソード底板3c及びカソード周壁3bの直径は250mm程度であり、遮蔽壁3aの内径はその80%以下がよい。この遮蔽壁3aは、カソード周壁3bに着脱自在に取り付けられる。
The hollow cathode 3 includes a disc-shaped
前記絶縁ブッシュ8bに嵌合された状態で、ホローかソード3のカソード底板3cの上に試料台4が設けられている。この試料台4とホローかソード3とは前記絶縁ブッシュ8bにより絶縁されている。試料台4は、ホローかソード3のカソード周壁3bの内径よりやや小さな直径を有している。この試料台4とカソード底板3c及びカソード周壁3bとの間には隙間が設けられている。この試料台4には、表面に被膜をコーティングする試料7が載せられる。
A sample stage 4 is provided on the
前記絶縁ブッシュ8bに嵌合された状態で、ホローカソード3のカソード底板3cと真空チャンバ1の底板1dとの間には円板状の静電シールド板5が設けられている。この静電シールド板5は前記絶縁ブッシュ8bによりホローかソード3と絶縁されている。
前記絶縁ブッシュ8bの中心軸に沿って通路が設けられており、これにより原料ガス導入路9が形成されている。さらにこの絶縁ブッシュ8bには、前記原料ガス導入路9と通じる放射状の複数本の通路9aが設けられている。この通路9aは、絶縁ブッシュ8bの外周側において、試料台4とカソード底板3cとの間の隙間に通じている。
A disc-shaped electrostatic shield plate 5 is provided between the
A passage is provided along the central axis of the insulating
前記原料ガス導入路9には、電磁バルブ等の開閉バルブ12とニードルバルブ等からなる流量調整バルブ11を介して原料ガス供給室10が接続されている。
またこれとは別に、真空チャンバ1には、その底板1dにおいて雰囲気ガス調整バルブ(Ev−Gas)16が接続されている。この雰囲気ガス調整バルブ16は、ニードルバルブ等からなり、真空チャンバ1内に空気、N2、Ar等のプラズマ形成用ガスを調整しながら導入し、真空チャンバ1内の雰囲気を調整するものである。
A raw material
Separately, an atmospheric gas adjusting valve (Ev-Gas) 16 is connected to the vacuum chamber 1 at the
前記のアノード2とホローカソード3との間には、電圧印加装置18により高電圧が印加される。この電圧印加装置18は、スイッチ20により電源に接続し、電圧調整器19にて電圧調整すると共に、直流に整流してアノード2とホローカソード3に印加する。
このようなプラズマイオン金属被着装置において、試料に金属被膜をコーティングする動作を以下に説明する。
A high voltage is applied between the anode 2 and the hollow cathode 3 by a
In such a plasma ion metal deposition apparatus, the operation of coating a sample with a metal film will be described below.
試料7は所定の手順に従って処理し、乾燥状態にあるものを試料台4の上に置く。まず、真空排気装置13により真空チャンバ1内を2Pa程度の圧力まで排気する。その後、雰囲気ガス調整バルブ16で空気、N2、Ar等のガスを真空チャンバ1内に導入し、真空チャンバ1内をプラズマ放電に適した8〜10Pa程度の圧力に保持する。この状態でアノード2とホローカソード3との間に高電圧を印加する。
The sample 7 is processed according to a predetermined procedure, and a sample in a dry state is placed on the sample table 4. First, the inside of the vacuum chamber 1 is exhausted to a pressure of about 2 Pa by the
円筒形のカソード周壁3bと円環状の遮蔽壁3aとで囲まれたホローカソード3の内部空間において、数Paに保たれた空気、N2、Ar等のガス分子は、放電により正電荷のイオンと負電荷の電子とに分離し、プラズマが形成される。また、未分解のガス分子も電子との衝突で電離し、プラズマ化が促進される。そして、ホローカソード3の内部空間で分離した電子は、閉ざされた空間内に停滞する時間が長くなり、その分未分解のガス分子との衝突の機会が増え、プラズマ化が促進されるので、ホローカソード3の内部空間のプラズマの密度が高くなる。他方、ホローカソード3の外側の空間では、分離した電子は真空チャンバ1内の広い空間に拡散し、アノードに向かうので、未分解のガス分子との衝突の確率が低く、従ってプラズマの密度は低くなる。
In the internal space of the hollow cathode 3 surrounded by the cylindrical cathode
ホローカソード3の内部空間がこのようにプラズマ放電された状態で、原料ガス供給室10から四酸化オスミウム(OsO4)の原料ガスをホローカソード3の内部空間に導入する。四酸化オスミウムは、通常はその結晶がアンプル状の容器6に収納されているが、この容器6を開け、原料ガス供給室10に収納する。四酸化オスミウムの結晶は昇華性があり、原料ガス供給室10の開閉バルブ12と流量調整バルブ11を開くと、四酸化オスミウムの結晶から昇華した四酸化オスミウムガスが原料ガス導入路9を通して真空チャンバ1に導入される。
With the plasma discharge in the interior space of the hollow cathode 3, a source gas of osmium tetroxide (OsO 4 ) is introduced from the source
原料ガス導入路9にから真空チャンバ1に向かった四酸化オスミウムガスは、原料ガス導入路9の放射上の通路9aを通ってホローカソード3のカソード底板3cと試料台4との隙間に導かれる。さらにこの四酸化オスミウムガスはカソード底板3cと試料台4との隙間からカソード周壁3b側に向かい、そのカソード周壁3bと試料台4との隙間からその上に流れる。そして四酸化オスミウムガスは、カソード周壁3bに沿って上昇し、試料台4の上に拡散する。
The osmium tetroxide gas from the source gas introduction path 9 toward the vacuum chamber 1 is guided to the gap between the
アノード2とホローカソード3との間で放電状態にあるとき、前述のホローカソード3の内部空間は高密度のプラズマとなっているため、ここで四酸化オスミウムガスはプラズマエネルギーで分解されて金属オスミウム(Os)の粒子が分離し、これが試料7の表面に被着する。特にアノード2に対向しているホローカソード3の内部空間では、プラズマ密度が高く、プラズマのエネルギーも強いので、四酸化オスミウムガスの分解力も大きい。これにより、ホローカソード3の径に比べてその深さが浅くても、プラズマ密度を高めることが出来る。すなわち、遮蔽壁3aが無いものに比べて、より低い放電電圧でも試料7の表面コーティングが可能となる。
When the anode 2 and the hollow cathode 3 are in a discharge state, the internal space of the hollow cathode 3 is a high-density plasma. Therefore, the osmium tetroxide gas is decomposed by the plasma energy here, and the metal osmium The (Os) particles separate and adhere to the surface of the sample 7. In particular, in the internal space of the hollow cathode 3 facing the anode 2, the plasma density is high and the energy of the plasma is strong, so that the decomposition power of the osmium tetroxide gas is large. Thereby, even if the depth is shallow compared with the diameter of the hollow cathode 3, a plasma density can be raised. That is, the surface coating of the sample 7 can be performed even at a lower discharge voltage than that without the shielding
1 真空チャンバ
2 アノード
3 ホローカソード
3a 遮蔽壁
3b カソード周壁
4 試料台
7 試料
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