JP3722856B2 - 多重極電極の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば、質量分析装置や電子顕微鏡のように、電子やイオンの軌道を調整するのに使用される多重極電極の製造方法に関し、さらに詳しくは、管状の基板の内面に、複数の電極が形成されてなる多重極電極の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、多重極電極を用いた装置、例えば、四重極電極を備えた質量分析装置では、真空室内に、図８に示されるように４本の電極棒４０1〜４０4を、等間隔で対称に平行配置してなる四重極電極が設けられ、対向する各電極棒４０1，４０3：４０2，４０4間には、直流電圧Ｕと高周波交流電圧Ｖｃｏｓωｔとを重畳してなる走査電圧がそれぞれ印加される。これによって、四重極電極の内部に、双曲線状の電界が形成され、しかも、Ｕ／Ｖの比を一定に保ちながらＶを変化させることにより、イオン源（図示せず）から四重極電極の軸方向（図８の紙面に垂直方向）に沿って電界内に導入されたイオンを質量分離するものである。
【０００３】
一般に質量分析装置では、精度の高い分析を可能にするために、四重極電極で形成される電界にも高い精度が要求されるが、４本の電極棒４０1〜４０4を並列配置してなる四重極電極では、各電極棒４０1〜４０4の加工やそれら電極棒４０1〜４０4を配置するときの位置や間隔などにも高い精度が要求され、製造コストが高くなる一方、電極棒の配置ずれが起こり易いといった難点がある。
【０００４】
このような４本の電極棒を使用することなく、四重極電極を提供するものとして、特開昭６３−１５２８４６号公報あるいは米国特許第３３２８１４６号に開示されている四重極電極がある。これらは、対向する内面が双曲線状にくぼんだ管状の絶縁体の内面に、電極を形成してなるものである。
【０００５】
例えば、特開昭６３−１５２８４６号公報では、図９に示されるように、対向する４つの内面が双曲線状に内方へくぼんだ管状の石英基板４１の前記４つの内面に導電性ストリップ４２を形成し、図８の四重極電極と同様の機能を有するものである。この管状の石英基板４１は、所要形状のマンドレル上で真空成形されることによって得られ、導電性ストリップ４２は、例えば、銀ペーストを石英基板４１の内面に塗布して焼成することにより形成される。
【０００６】
また、米国特許第３３２８１４６号では、同様に、ガラス管をマンドレル上で真空成形して得られた４つの内面が双曲線状に内方へくぼんだ管状のガラス基板の内面に、メッキ、蒸着あるいはスパッタリングによって電極を形成するようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、管状基板の内面のような極く狭い空間内に、均一で導電性に優れた電極を形成するのは容易ではない。
【０００８】
例えば、上述の特開昭６３−１５２８４６号公報に開示された銀ペーストを塗布して焼成するものでは、十分な導電性を得るには、例えば、数十μｍといったかなりの厚みが必要であり、このため、均一な電極を形成するのが一層困難となり、また、焼成を行うために、管状基板の材質として、耐熱性の高い石英やセラミックスしか使用できず、コストが高くなるという難点がある。
【０００９】
一方、米国特許第３３２８１４６号では、管状のガラス基板の内面に、メッキ、蒸着あるいはスパッタリングなどの一般的手法を適用して電極を形成することしか開示されておらず、例えば、質量分析装置に要求される最近の高い精度を実現できるような均一で導電性に優れた電極を形成するのは困難である。
【００１０】
本発明は、上述の点に鑑みて為されたものであって、管状基板の内面に、均一で導電性に優れた多重極電極を形成することができる多重極電極の製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上述の目的を達成するために、次のように構成している。
【００１２】
すなわち、本発明は、先端にターゲットを取り付けてあるパイプ状のプローブを多重極電極用管状基板の内空間に挿入するとともに、このプローブを陰極としてこれに電力を印加することによってそのターゲットを前記多重極電極用管状基板の内面にスパッタリングする方法において、前記ターゲットの形状を、四重極電極においては四角柱、あるいは前記多重極電極用管状基板に対応した双曲線部を有する形状とし、前記多重極電極用管状基板に多重極電極を形成する部分を除いてマスキングし、かつ前記ターゲットを中空孔を有するものとするとともに、このプローブを多重極電極用管状基板の内面に対して相対的に移動させながら前記ターゲットの中空穴内には前記プローブを介して放電ガスを供給することによって、このターゲットの中空孔付近で中空陰極放電を行わせて前記多重極電極用管状基板の多重極電極形成部分に前記スパッタリングを行うようにしている。
【００１３】
【作用】
上記構成によれば、ターゲットが中空形状であることからターゲット外周面で放電せずに、ターゲットの中空内からわき出すような中空陰極放電を生じ、この中空陰極放電は、通常のグロー放電より電流密度が高く、極く狭い空間内でも放電が安定し、スパッタリングによって管状基板の内面に頑強で導電性に優れた均一な薄膜電極が形成される。
【００１４】
【実施例】
以下、図面によって本発明の実施例について、詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施例の製造方法によって製造された多重極電極の斜視図であり、この実施例では、質量分析装置に使用される四重極電極１に適用して説明する。
【００１６】
この四重極電極１は、図２に示されるガラス製の管状基板２の内面に、４つの電極３が形成されて構成される。この管状基板２は、四重極電極の基本形状を与えるものであり、内方に双曲線状にくぼんで対向する４つの双曲線部４が、軸方向に平行に延びて形成されており、各双曲線部４の境界部分である４つの隅部５は、外方に円弧状に湾曲して形成されている。この管状基板２としては、ガラス製に限らず、石英、セラミックスあるいはプラスチックス製であってもよい。
【００１７】
管状基板２の内面の４つの双曲線部４のそれぞれには、金薄膜からなる電極３が形成されており、４つの隅部５には、電極３は形成されておらず、ガラス製の管状基板２が露出して各双曲線部４の４つの電極３を電気的に絶縁している。
【００１８】
ガラス製の管状基板２は、四重極電極の基本形状を付与するための所要の形状を有するマンドレル上で真空成形することによって得られる。すなわち、適当な直径、厚さを有する円筒状のガラス管の一端を閉じて切断し、図３に示されるように、前記所要の形状に高い精度で加工されたマンドレル６をガラス管に挿入する。
【００１９】
次に、ガラス管の他端を真空ポンプに接続し、ガラス管を十分に加熱すると、大気圧によってガラス管がマンドレル６に密に整合し、冷却した後、マンドレル６をガラス管から取り出し、ガラス管を所要の長さで切断することにより、図２のガラス製の管状基板２が得られるものであり、この管状基板２の内面は、μｍオーダの精度を有する。このようにして得られた管状基板２の内面への電極３の形成について説明する。
【００２０】
この実施例の四重極電極１の製造方法では、先端にターゲットを取り付けてあるパイプ状のプローブを、真空成形によって得られた上述の管状基板２の内空間に挿入するとともに、このプローブを陰極としてこれに電力を印加することによってそのターゲットを管状基板２の内面にスパッタリングすることによって、電極３を形成するものである。
【００２１】
しかも、そのスパッタリングに際して、管状基板２に電極３を形成する部分、すなわち、上述の双曲線部４を除いてマスキングし、かつ前記ターゲットを中空孔を有するものとするとともに、このプローブを管状基板２の内面に対して相対的に移動させながら前記ターゲットの中空孔内には前記プローブを介して放電ガスを供給することによって、このターゲットの中空孔付近で中空陰極放電を行わせて双曲線部４にスパッタリングを行うものである。
【００２２】
以上のスパッタリングによる電極３の形成について、さらに詳細に説明する。
【００２３】
図４は、本発明の一実施例の製造方法を実施するためのスパッタリング装置の要部断面図であり、図５は、図４の切断面線Ａ−Ａから見た断面図である。
【００２４】
スパッタリング装置の真空容器７内には、該真空容器７の壁面に支えられるパイプ状のプローブ（陰極）８が、一端を真空容器７内に、他端を貫通穴を介して真空容器１外に突出されるように設けられている。このプローブ８は、真空容器７の壁面に対し絶縁体１５を介して支えられることにより、真空容器７とは電気的に絶縁される。さらに、絶縁体１５とプローブ８との間は二重のＯリング１６によるシール機構で支持され、真空室７内の真空が保持できるようにしている。
【００２５】
このプローブ８の真空容器７内の先端には、金のターゲット９がネジ止めされ、プローブ８と電気的に接続されている。このターゲット９としては、金以外の白金などの他の貴金属あるいはその合金、さらには、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｔｉ等の化学的に安定な金属あるいはその合金を用いてもよい。
【００２６】
真空容器７の内部には、前記プローブ８と軸線が共通するとともに、真空成形によって得られた管状基板２を収納する収納穴１０ａを有した金属製のホルダ（陽極）１０が設けられる。ホルダ１０には、ヒータ１１が内蔵され、ホルダ１０の収納穴１０ａに内接して保持されるガラス製の管状基板２を加熱できるようにしてある。そして、ホルダ１０は、ホルダ台２０に支持され、このホルダ台２０が、真空容器７の外部に設けた所定の搬送機構１７に接続されていて、これを駆動することによってホルダ１０およびホルダ１０に収納された管状基板２のターゲット９に対する相対位置が変わるようになっている。
【００２７】
この実施例では、管状基板２に形成される４つの電極３の絶縁を保つために、電極３を形成しない部分、すなわち、管状基板２の４つの隅部５には、例えば、ステンレス製のマスキング棒１２が接着剤あるいは適宜の保持手段によって挿入保持されている。なお、４つの隅部５のマスキングは、マスキング棒１２に限らず、マスキング用テープの貼着あるいはマスキング用材料の塗布などであってもよい。
【００２８】
プローブ８先端のターゲット９は、図５に示されるように、４つの双曲線部４を有する管状基板２に金薄膜からなる均一な電極３を形成するために、この実施例では、中空の四角柱状とされており、その４つの角部が、４つの双曲線部４にそれぞれ対向するように取り付けられている。
【００２９】
プローブ８およびターゲット９は、真空容器７外部から放電ガスとしてのＡｒガスを供給するための中空孔１３が設けられている。また、プローブ８の中空孔１３先端付近には、放電の回り込み防止用の絶縁筒１４が設けられる。
【００３０】
プローブ８とホルダ１０との間には、プローブ８側がホルダ１０側に対して負になるようにＤＣ電源１８および放電安定抵抗１９が接続される。ホルダ１０側は、接地電位にするのが普通であるが、接地電位としないときはホルダ台２０との接続面に絶縁板２１を介在させておく。これらホルダ台２０と絶縁板２１には、ガス孔２２がそれぞれ形成されている。ＤＣ電源１８としては、通常定電流電源を用いる。
【００３１】
以上の構成の装置において、プローブ８およびターゲット９の中空孔１３を介して真空室７内にＡｒガスを導入し、図示しない真空ポンプおよび圧力調整弁にて放電維持可能な圧力に調整する。すると、プローブ８およびターゲット９の中空孔１３内部には配管抵抗によるコンダクタンス作用が生じ、これら中空孔１３内部以外の真空室７内よりも低真空状態に保持される。この状態で、プローブ８とホルダ１０との間に、ＤＣ電源１８および放電安定抵抗１９からなる電源回路により適当な値の電力を投入する。すると、通常のグロー放電に比べて電流密度が高い中空陰極放電がターゲット９の中空孔内部とターゲット９開口部付近に発生する。
【００３２】
すなわち、中空孔１３を有する特殊な陰極形状であることと、狭い電極間隔においても放電維持が可能なほどの比較的低真空の空間内圧力であることとの条件が満足されると、中空孔１３から放射状に吹き出すような形状のプラズマ２３が発生して、ターゲット９の先端部付近を激しくスパッタリングするようになる。これにより、ターゲット９から激しくスパッタリングされた原子は、管状基板２に向けて飛び出し、やがて管状基板２に衝突してこれに付着する。なお、中空陰極放電が、プローブ８の中空孔１３内部にまで至って、プローブ８自身がスパッタリングされるのを防止するために、プローブ８の中空孔１３先端部には上述のように放電防止用の絶縁筒１４を設けてている。
【００３３】
そして、搬送機構１７を用いて、管状基板２をプローブ８の軸線に沿って移動することにより、管状基板２のマスキングされていない４つの双曲線部４に、その軸方向に均等な膜厚の電極３を形成することができ、最終的に、図１の四重極電極１を得ることができる。
【００３４】
このように本発明方法によれば、狭い空間でも放電が安定する中空陰極放電によるスパッタリングによって管状基板２の内面に金薄膜からなる４つの電極３を形成するので、頑強で導電性に優れた均一な電極３が得られることになる。
【００３５】
特に、四重極電極１の一般的用途である質量分析装置などでは、コンタミネーションが問題となり、金や白金電極が理想とされているけれども、金や白金は、ガラスや石英にはなじみにくく、したがって、ガラスや石英上に頑強で良質な金や白金の薄膜を形成するのは困難であるとされているが、本発明方法によれば、中空陰極放電によって、ガラスや石英の表面が高エネルギープラズマにさらされて活性化されるため、ガラスや石英の管状基板であっても、非常に密着性に優れた良質な電極薄膜が得られる。
【００３６】
当然のことであるが、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ等の石英やガラスに対して、比較的成膜しやすい材料を用いた場合には、さらに優れた密着性が得られ、密着強度が石英の破壊強度を上回るほどであった。
【００３７】
なお、この実施例では、ターゲット９の形状を中空の四角柱状としたけれども、ターゲット９の形状は、これに限るものではなく、管状基板２に対応した双曲線部を有する形状であってもよい。
【００３８】
ターゲット９の形状を四角柱状とした本実施例では、管状基板２の４つの隅部５近傍における成膜効率がよく、管状基板２の断面上における膜厚分布は、±０.３μｍとなり、プローブ８と同じパイプ状のターゲットを用いた場合の膜厚分布±０.５μｍに比べて改善された。
【００３９】
また、マスキング棒１２の材質をターゲット９と同一の材質とし、負のバイアス電圧、例えば、ターゲット９に印加される電圧が−８００Ｖの時に、−１５００Ｖ〜−３００Ｖの間の適当なバイアス電圧を印加することにより、前記膜厚分布が、±０.２μｍに改善された。
【００４０】
図６は、本発明の他の実施例の製造方法を実施するためのスパッタリング装置の要部断面図、図７は、図６のプローブ付近の拡大断面図であり、図４の実施例に対応する部分には、同一の参照符号を付してその説明を省略する。
【００４１】
この実施例の製造方法は、スパッタリングに際して、補助電極２４によって中空陰極放電を調整するとともに、この補助電極２４の先端とターゲット９の開口部との距離を一定に調整するものである。
【００４２】
このため、このスパッタリング装置では、プローブ８の中空孔内には、絶縁筒２５を介してプローブ８と絶縁された補助電極２４が設けられており、この補助電極２４と絶縁筒２５とは、真空容器７外に設けた調整ツマミ２６によりプローブ８に対する相対位置が変えられるように構成されている。すなわち、補助電極２４および絶縁筒２５の上端部にガラスまたは樹脂２７にて固定された調整ツマミ２６は、プローブ８の外周面にネジ部にて係合してあり、ネジ部を調整することにより、補助電極２４および絶縁筒２５の、このプローブ８に対しての相対位置を動かすことができるようになっている。調整ツマミ２６とプローブ８との間は、シール用のＯリング２８を設けて真空が維持できるようにしている。
【００４３】
また、プローブ８には、放電ガス導入口２９が接続されており、絶縁筒２５とプローブ８内周面とのすき間を通ってＡｒガスが導入される。
【００４４】
さらに、補助電極２４には、ポテンショメータ３０によって分圧された電圧が安定抵抗３１を介して印加されるように接続される。
【００４５】
以上の構成の装置において、真空容器７内にＡｒガスを導入し、放電維持可能な圧力に調整した後、プローブ８とホルダ１０との間に適当な強度の電力を供給すると、ターゲット９の中空孔内に、上述の実施例と同様に、中空陰極放電が生じる。このときポテンショメータ３０の調整により中空陰極放電でプラズマ２３が、ターゲット９開口部から外に押し出される程度を調整する。なお、補助電極２４は、浮遊電位、すなわち積極的に外部と接続しないようにしてプラズマ２３との平衡によって補助電極２４の電位を決まるようにしてもプラズマ２３の押し出し程度を調整できる。
【００４６】
このようにして管状基板２への電極３の形成を繰り返して行うと、ターゲット９がスパッタリングされて消耗し、補助電極２４の先端とターゲット９の開口部との距離が短くなって、中空陰極放電の形状、特にプラズマ２３がターゲット９から押し出される程度が変わる。中空陰極放電形状の変化が進んで成膜条件の再現性がなくなって来ると、調整ツマミ２６を回して補助電極２４および絶縁筒２５を引っ込める。すると、補助電極２４の先端とターゲット９の開口部との距離が再び最初の長さと同じ程度にすることができ、最初の放電状態と同様の放電を得ることができる。
【００４７】
このようにしてターゲット９の消耗の程度に合わせて補助電極２４を引っ込めることで放電形状に影響を及ぼす補助電極２４の先端とターゲット９開口部との相対関係が一定になるように調整できるので、再現性のよい成膜、すなわち、電極３の形成を行えることになる。さらに、ターゲット９の消耗に合わせて補助電極２４を引き込んでゆくので、ターゲット９が短くなるまで有効に利用することができ、特に高価なターゲット９を使う場合には、無駄なくターゲット９を利用できることになり、材料コストの低減を図ることができる。
【００４８】
なお、この実施例では、補助電極２４に印加する電圧をＤＣ電源３０の分圧を利用したけれども、別電源を利用してもよい。
【００４９】
また、この実施例では、ホルダ１０を陽極とし、補助電極２４で放電を調整するようにしたけれども、補助電極２４とプローブ８との間で放電電力を印加するようにして補助電極２４に、放電調整だけでなく、陽極電極としての機能を兼用させてもよい。
【００５０】
上述の各実施例では、電源としてＤＣ電源１８を用いたけれども、これに限られるものではなく、ＲＦ電源その他の電源で放電を発生させうるものであればよい。
【００５１】
また、放電ガスとしては、Ａｒガスを用いたけれども、Ａｒガスに限られるものではなく、例えば、酸素とＡｒのような混合ガスを用いて反応性スパッタリングとしてもよい。
【００５２】
上述の各実施例では、四重極電極に適用して説明したけれども、本発明は、六重極、八重極、十二重極といった他の多重極電極にも適用できるものである。
【００５３】
本発明の実施の態様としては、上記実施例のほか以下の態様がある。
【００５４】
（１）先端にターゲットを取り付けてあるパイプ状のプローブを管状基板の内空間に挿入するとともに、このプローブを陰極としてこれに電力を印加することによってそのターゲットを前記管状基板の内面にスパッタリングする際に、前記プローブの内部に絶縁筒を介して補助電極を挿通支持するとともに、該補助電極の先端と前記ターゲットとの相対位置を可変とし、前記管状基板に多重極電極を形成する部分を除いてマスキングし、かつ前記ターゲットを中空孔を有するものとするとともに、プローブを管状基板の内面に対して相対的に移動させながら前記ターゲットの中空孔内には前記プローブを介して放電ガスを供給することによって、このターゲット内部で中空陰極放電を行わせるとともに、前記補助電極によって中空陰極放電を調整して前記管状基板の多重極電極形成部分に前記スパッタリングを行うものである。
【００５５】
同じターゲットを用いて繰り返し成膜、すなわち、電極の形成を行った場合には、ターゲットがスパッタリングされて侵食され、放電状態が変化することになって再現性のないものとなるが、このような構成によれば、中空陰極放電を調整する補助電極とターゲットとの相対位置を可変できるので、ターゲットの侵食に応じて相対位置を調整することにより、最初の放電状態と同様の放電状態を得ることができ、再現性のよい電極の形成が可能となる。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、中空孔を有するターゲットを先端に取り付けてあるパイプ状のプローブを管状基板の内空間に挿入するとともに、このプローブを陰極としてこれに電力を印加することによってそのターゲットを前記管状基板の内面にスパッタリングする際に、多重極電極を形成する部分を除いてマスキングし、プローブを管状基板の内面に対して相対的に移動させながら前記ターゲットの中空孔内には放電ガスを供給することによって、このターゲットの中空孔付近で安定した中空陰極放電を行わせて複数の電極を形成するので、頑強で導電性に優れた均一な多重極電極を得ることが可能となる。
【００５７】
また、管状基板の材質としては、耐熱性の高い石英やセラミックスに限定されることなく、ガラスやプラスチックスを使用することができ、コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る四重極電極の斜視図である。
【図２】図１の管状基板の斜視図である。
【図３】真空成形に使用されるマンドレルの斜視図である。
【図４】本発明方法を実施するためのスパッタリング装置の断面図である。
【図５】図４の切断面線Ａ−Ａから見た断面図である。
【図６】本発明の他の実施例に係るスパッタリング装置の断面図である。
【図７】図６の要部の拡大断面図である。
【図８】四重極電極の電極棒の配置を示す図である。
【図９】従来例の四重極電極の斜視図である。
【符号の説明】
１ 四重極電極
２ 管状基板
３ 電極
４ 双曲線部
５ 隅部
８ プローブ
９ ターゲット
１２ マスキング棒
１７ 搬送機構
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば、質量分析装置や電子顕微鏡のように、電子やイオンの軌道を調整するのに使用される多重極電極の製造方法に関し、さらに詳しくは、管状の基板の内面に、複数の電極が形成されてなる多重極電極の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、多重極電極を用いた装置、例えば、四重極電極を備えた質量分析装置では、真空室内に、図８に示されるように４本の電極棒４０1〜４０4を、等間隔で対称に平行配置してなる四重極電極が設けられ、対向する各電極棒４０1，４０3：４０2，４０4間には、直流電圧Ｕと高周波交流電圧Ｖｃｏｓωｔとを重畳してなる走査電圧がそれぞれ印加される。これによって、四重極電極の内部に、双曲線状の電界が形成され、しかも、Ｕ／Ｖの比を一定に保ちながらＶを変化させることにより、イオン源（図示せず）から四重極電極の軸方向（図８の紙面に垂直方向）に沿って電界内に導入されたイオンを質量分離するものである。
【０００３】
一般に質量分析装置では、精度の高い分析を可能にするために、四重極電極で形成される電界にも高い精度が要求されるが、４本の電極棒４０1〜４０4を並列配置してなる四重極電極では、各電極棒４０1〜４０4の加工やそれら電極棒４０1〜４０4を配置するときの位置や間隔などにも高い精度が要求され、製造コストが高くなる一方、電極棒の配置ずれが起こり易いといった難点がある。
【０００４】
このような４本の電極棒を使用することなく、四重極電極を提供するものとして、特開昭６３−１５２８４６号公報あるいは米国特許第３３２８１４６号に開示されている四重極電極がある。これらは、対向する内面が双曲線状にくぼんだ管状の絶縁体の内面に、電極を形成してなるものである。
【０００５】
例えば、特開昭６３−１５２８４６号公報では、図９に示されるように、対向する４つの内面が双曲線状に内方へくぼんだ管状の石英基板４１の前記４つの内面に導電性ストリップ４２を形成し、図８の四重極電極と同様の機能を有するものである。この管状の石英基板４１は、所要形状のマンドレル上で真空成形されることによって得られ、導電性ストリップ４２は、例えば、銀ペーストを石英基板４１の内面に塗布して焼成することにより形成される。
【０００６】
また、米国特許第３３２８１４６号では、同様に、ガラス管をマンドレル上で真空成形して得られた４つの内面が双曲線状に内方へくぼんだ管状のガラス基板の内面に、メッキ、蒸着あるいはスパッタリングによって電極を形成するようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、管状基板の内面のような極く狭い空間内に、均一で導電性に優れた電極を形成するのは容易ではない。
【０００８】
例えば、上述の特開昭６３−１５２８４６号公報に開示された銀ペーストを塗布して焼成するものでは、十分な導電性を得るには、例えば、数十μｍといったかなりの厚みが必要であり、このため、均一な電極を形成するのが一層困難となり、また、焼成を行うために、管状基板の材質として、耐熱性の高い石英やセラミックスしか使用できず、コストが高くなるという難点がある。
【０００９】
一方、米国特許第３３２８１４６号では、管状のガラス基板の内面に、メッキ、蒸着あるいはスパッタリングなどの一般的手法を適用して電極を形成することしか開示されておらず、例えば、質量分析装置に要求される最近の高い精度を実現できるような均一で導電性に優れた電極を形成するのは困難である。
【００１０】
本発明は、上述の点に鑑みて為されたものであって、管状基板の内面に、均一で導電性に優れた多重極電極を形成することができる多重極電極の製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上述の目的を達成するために、次のように構成している。
【００１２】
すなわち、本発明は、先端にターゲットを取り付けてあるパイプ状のプローブを多重極電極用管状基板の内空間に挿入するとともに、このプローブを陰極としてこれに電力を印加することによってそのターゲットを前記多重極電極用管状基板の内面にスパッタリングする方法において、前記ターゲットの形状を、四重極電極においては四角柱、あるいは前記多重極電極用管状基板に対応した双曲線部を有する形状とし、前記多重極電極用管状基板に多重極電極を形成する部分を除いてマスキングし、かつ前記ターゲットを中空孔を有するものとするとともに、このプローブを多重極電極用管状基板の内面に対して相対的に移動させながら前記ターゲットの中空穴内には前記プローブを介して放電ガスを供給することによって、このターゲットの中空孔付近で中空陰極放電を行わせて前記多重極電極用管状基板の多重極電極形成部分に前記スパッタリングを行うようにしている。
【００１３】
【作用】
上記構成によれば、ターゲットが中空形状であることからターゲット外周面で放電せずに、ターゲットの中空内からわき出すような中空陰極放電を生じ、この中空陰極放電は、通常のグロー放電より電流密度が高く、極く狭い空間内でも放電が安定し、スパッタリングによって管状基板の内面に頑強で導電性に優れた均一な薄膜電極が形成される。
【００１４】
【実施例】
以下、図面によって本発明の実施例について、詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施例の製造方法によって製造された多重極電極の斜視図であり、この実施例では、質量分析装置に使用される四重極電極１に適用して説明する。
【００１６】
この四重極電極１は、図２に示されるガラス製の管状基板２の内面に、４つの電極３が形成されて構成される。この管状基板２は、四重極電極の基本形状を与えるものであり、内方に双曲線状にくぼんで対向する４つの双曲線部４が、軸方向に平行に延びて形成されており、各双曲線部４の境界部分である４つの隅部５は、外方に円弧状に湾曲して形成されている。この管状基板２としては、ガラス製に限らず、石英、セラミックスあるいはプラスチックス製であってもよい。
【００１７】
管状基板２の内面の４つの双曲線部４のそれぞれには、金薄膜からなる電極３が形成されており、４つの隅部５には、電極３は形成されておらず、ガラス製の管状基板２が露出して各双曲線部４の４つの電極３を電気的に絶縁している。
【００１８】
ガラス製の管状基板２は、四重極電極の基本形状を付与するための所要の形状を有するマンドレル上で真空成形することによって得られる。すなわち、適当な直径、厚さを有する円筒状のガラス管の一端を閉じて切断し、図３に示されるように、前記所要の形状に高い精度で加工されたマンドレル６をガラス管に挿入する。
【００１９】
次に、ガラス管の他端を真空ポンプに接続し、ガラス管を十分に加熱すると、大気圧によってガラス管がマンドレル６に密に整合し、冷却した後、マンドレル６をガラス管から取り出し、ガラス管を所要の長さで切断することにより、図２のガラス製の管状基板２が得られるものであり、この管状基板２の内面は、μｍオーダの精度を有する。このようにして得られた管状基板２の内面への電極３の形成について説明する。
【００２０】
この実施例の四重極電極１の製造方法では、先端にターゲットを取り付けてあるパイプ状のプローブを、真空成形によって得られた上述の管状基板２の内空間に挿入するとともに、このプローブを陰極としてこれに電力を印加することによってそのターゲットを管状基板２の内面にスパッタリングすることによって、電極３を形成するものである。
【００２１】
しかも、そのスパッタリングに際して、管状基板２に電極３を形成する部分、すなわち、上述の双曲線部４を除いてマスキングし、かつ前記ターゲットを中空孔を有するものとするとともに、このプローブを管状基板２の内面に対して相対的に移動させながら前記ターゲットの中空孔内には前記プローブを介して放電ガスを供給することによって、このターゲットの中空孔付近で中空陰極放電を行わせて双曲線部４にスパッタリングを行うものである。
【００２２】
以上のスパッタリングによる電極３の形成について、さらに詳細に説明する。
【００２３】
図４は、本発明の一実施例の製造方法を実施するためのスパッタリング装置の要部断面図であり、図５は、図４の切断面線Ａ−Ａから見た断面図である。
【００２４】
スパッタリング装置の真空容器７内には、該真空容器７の壁面に支えられるパイプ状のプローブ（陰極）８が、一端を真空容器７内に、他端を貫通穴を介して真空容器１外に突出されるように設けられている。このプローブ８は、真空容器７の壁面に対し絶縁体１５を介して支えられることにより、真空容器７とは電気的に絶縁される。さらに、絶縁体１５とプローブ８との間は二重のＯリング１６によるシール機構で支持され、真空室７内の真空が保持できるようにしている。
【００２５】
このプローブ８の真空容器７内の先端には、金のターゲット９がネジ止めされ、プローブ８と電気的に接続されている。このターゲット９としては、金以外の白金などの他の貴金属あるいはその合金、さらには、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｔｉ等の化学的に安定な金属あるいはその合金を用いてもよい。
【００２６】
真空容器７の内部には、前記プローブ８と軸線が共通するとともに、真空成形によって得られた管状基板２を収納する収納穴１０ａを有した金属製のホルダ（陽極）１０が設けられる。ホルダ１０には、ヒータ１１が内蔵され、ホルダ１０の収納穴１０ａに内接して保持されるガラス製の管状基板２を加熱できるようにしてある。そして、ホルダ１０は、ホルダ台２０に支持され、このホルダ台２０が、真空容器７の外部に設けた所定の搬送機構１７に接続されていて、これを駆動することによってホルダ１０およびホルダ１０に収納された管状基板２のターゲット９に対する相対位置が変わるようになっている。
【００２７】
この実施例では、管状基板２に形成される４つの電極３の絶縁を保つために、電極３を形成しない部分、すなわち、管状基板２の４つの隅部５には、例えば、ステンレス製のマスキング棒１２が接着剤あるいは適宜の保持手段によって挿入保持されている。なお、４つの隅部５のマスキングは、マスキング棒１２に限らず、マスキング用テープの貼着あるいはマスキング用材料の塗布などであってもよい。
【００２８】
プローブ８先端のターゲット９は、図５に示されるように、４つの双曲線部４を有する管状基板２に金薄膜からなる均一な電極３を形成するために、この実施例では、中空の四角柱状とされており、その４つの角部が、４つの双曲線部４にそれぞれ対向するように取り付けられている。
【００２９】
プローブ８およびターゲット９は、真空容器７外部から放電ガスとしてのＡｒガスを供給するための中空孔１３が設けられている。また、プローブ８の中空孔１３先端付近には、放電の回り込み防止用の絶縁筒１４が設けられる。
【００３０】
プローブ８とホルダ１０との間には、プローブ８側がホルダ１０側に対して負になるようにＤＣ電源１８および放電安定抵抗１９が接続される。ホルダ１０側は、接地電位にするのが普通であるが、接地電位としないときはホルダ台２０との接続面に絶縁板２１を介在させておく。これらホルダ台２０と絶縁板２１には、ガス孔２２がそれぞれ形成されている。ＤＣ電源１８としては、通常定電流電源を用いる。
【００３１】
以上の構成の装置において、プローブ８およびターゲット９の中空孔１３を介して真空室７内にＡｒガスを導入し、図示しない真空ポンプおよび圧力調整弁にて放電維持可能な圧力に調整する。すると、プローブ８およびターゲット９の中空孔１３内部には配管抵抗によるコンダクタンス作用が生じ、これら中空孔１３内部以外の真空室７内よりも低真空状態に保持される。この状態で、プローブ８とホルダ１０との間に、ＤＣ電源１８および放電安定抵抗１９からなる電源回路により適当な値の電力を投入する。すると、通常のグロー放電に比べて電流密度が高い中空陰極放電がターゲット９の中空孔内部とターゲット９開口部付近に発生する。
【００３２】
すなわち、中空孔１３を有する特殊な陰極形状であることと、狭い電極間隔においても放電維持が可能なほどの比較的低真空の空間内圧力であることとの条件が満足されると、中空孔１３から放射状に吹き出すような形状のプラズマ２３が発生して、ターゲット９の先端部付近を激しくスパッタリングするようになる。これにより、ターゲット９から激しくスパッタリングされた原子は、管状基板２に向けて飛び出し、やがて管状基板２に衝突してこれに付着する。なお、中空陰極放電が、プローブ８の中空孔１３内部にまで至って、プローブ８自身がスパッタリングされるのを防止するために、プローブ８の中空孔１３先端部には上述のように放電防止用の絶縁筒１４を設けてている。
【００３３】
そして、搬送機構１７を用いて、管状基板２をプローブ８の軸線に沿って移動することにより、管状基板２のマスキングされていない４つの双曲線部４に、その軸方向に均等な膜厚の電極３を形成することができ、最終的に、図１の四重極電極１を得ることができる。
【００３４】
このように本発明方法によれば、狭い空間でも放電が安定する中空陰極放電によるスパッタリングによって管状基板２の内面に金薄膜からなる４つの電極３を形成するので、頑強で導電性に優れた均一な電極３が得られることになる。
【００３５】
特に、四重極電極１の一般的用途である質量分析装置などでは、コンタミネーションが問題となり、金や白金電極が理想とされているけれども、金や白金は、ガラスや石英にはなじみにくく、したがって、ガラスや石英上に頑強で良質な金や白金の薄膜を形成するのは困難であるとされているが、本発明方法によれば、中空陰極放電によって、ガラスや石英の表面が高エネルギープラズマにさらされて活性化されるため、ガラスや石英の管状基板であっても、非常に密着性に優れた良質な電極薄膜が得られる。
【００３６】
当然のことであるが、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ等の石英やガラスに対して、比較的成膜しやすい材料を用いた場合には、さらに優れた密着性が得られ、密着強度が石英の破壊強度を上回るほどであった。
【００３７】
なお、この実施例では、ターゲット９の形状を中空の四角柱状としたけれども、ターゲット９の形状は、これに限るものではなく、管状基板２に対応した双曲線部を有する形状であってもよい。
【００３８】
ターゲット９の形状を四角柱状とした本実施例では、管状基板２の４つの隅部５近傍における成膜効率がよく、管状基板２の断面上における膜厚分布は、±０.３μｍとなり、プローブ８と同じパイプ状のターゲットを用いた場合の膜厚分布±０.５μｍに比べて改善された。
【００３９】
また、マスキング棒１２の材質をターゲット９と同一の材質とし、負のバイアス電圧、例えば、ターゲット９に印加される電圧が−８００Ｖの時に、−１５００Ｖ〜−３００Ｖの間の適当なバイアス電圧を印加することにより、前記膜厚分布が、±０.２μｍに改善された。
【００４０】
図６は、本発明の他の実施例の製造方法を実施するためのスパッタリング装置の要部断面図、図７は、図６のプローブ付近の拡大断面図であり、図４の実施例に対応する部分には、同一の参照符号を付してその説明を省略する。
【００４１】
この実施例の製造方法は、スパッタリングに際して、補助電極２４によって中空陰極放電を調整するとともに、この補助電極２４の先端とターゲット９の開口部との距離を一定に調整するものである。
【００４２】
このため、このスパッタリング装置では、プローブ８の中空孔内には、絶縁筒２５を介してプローブ８と絶縁された補助電極２４が設けられており、この補助電極２４と絶縁筒２５とは、真空容器７外に設けた調整ツマミ２６によりプローブ８に対する相対位置が変えられるように構成されている。すなわち、補助電極２４および絶縁筒２５の上端部にガラスまたは樹脂２７にて固定された調整ツマミ２６は、プローブ８の外周面にネジ部にて係合してあり、ネジ部を調整することにより、補助電極２４および絶縁筒２５の、このプローブ８に対しての相対位置を動かすことができるようになっている。調整ツマミ２６とプローブ８との間は、シール用のＯリング２８を設けて真空が維持できるようにしている。
【００４３】
また、プローブ８には、放電ガス導入口２９が接続されており、絶縁筒２５とプローブ８内周面とのすき間を通ってＡｒガスが導入される。
【００４４】
さらに、補助電極２４には、ポテンショメータ３０によって分圧された電圧が安定抵抗３１を介して印加されるように接続される。
【００４５】
以上の構成の装置において、真空容器７内にＡｒガスを導入し、放電維持可能な圧力に調整した後、プローブ８とホルダ１０との間に適当な強度の電力を供給すると、ターゲット９の中空孔内に、上述の実施例と同様に、中空陰極放電が生じる。このときポテンショメータ３０の調整により中空陰極放電でプラズマ２３が、ターゲット９開口部から外に押し出される程度を調整する。なお、補助電極２４は、浮遊電位、すなわち積極的に外部と接続しないようにしてプラズマ２３との平衡によって補助電極２４の電位を決まるようにしてもプラズマ２３の押し出し程度を調整できる。
【００４６】
このようにして管状基板２への電極３の形成を繰り返して行うと、ターゲット９がスパッタリングされて消耗し、補助電極２４の先端とターゲット９の開口部との距離が短くなって、中空陰極放電の形状、特にプラズマ２３がターゲット９から押し出される程度が変わる。中空陰極放電形状の変化が進んで成膜条件の再現性がなくなって来ると、調整ツマミ２６を回して補助電極２４および絶縁筒２５を引っ込める。すると、補助電極２４の先端とターゲット９の開口部との距離が再び最初の長さと同じ程度にすることができ、最初の放電状態と同様の放電を得ることができる。
【００４７】
このようにしてターゲット９の消耗の程度に合わせて補助電極２４を引っ込めることで放電形状に影響を及ぼす補助電極２４の先端とターゲット９開口部との相対関係が一定になるように調整できるので、再現性のよい成膜、すなわち、電極３の形成を行えることになる。さらに、ターゲット９の消耗に合わせて補助電極２４を引き込んでゆくので、ターゲット９が短くなるまで有効に利用することができ、特に高価なターゲット９を使う場合には、無駄なくターゲット９を利用できることになり、材料コストの低減を図ることができる。
【００４８】
なお、この実施例では、補助電極２４に印加する電圧をＤＣ電源３０の分圧を利用したけれども、別電源を利用してもよい。
【００４９】
また、この実施例では、ホルダ１０を陽極とし、補助電極２４で放電を調整するようにしたけれども、補助電極２４とプローブ８との間で放電電力を印加するようにして補助電極２４に、放電調整だけでなく、陽極電極としての機能を兼用させてもよい。
【００５０】
上述の各実施例では、電源としてＤＣ電源１８を用いたけれども、これに限られるものではなく、ＲＦ電源その他の電源で放電を発生させうるものであればよい。
【００５１】
また、放電ガスとしては、Ａｒガスを用いたけれども、Ａｒガスに限られるものではなく、例えば、酸素とＡｒのような混合ガスを用いて反応性スパッタリングとしてもよい。
【００５２】
上述の各実施例では、四重極電極に適用して説明したけれども、本発明は、六重極、八重極、十二重極といった他の多重極電極にも適用できるものである。
【００５３】
本発明の実施の態様としては、上記実施例のほか以下の態様がある。
【００５４】
（１）先端にターゲットを取り付けてあるパイプ状のプローブを管状基板の内空間に挿入するとともに、このプローブを陰極としてこれに電力を印加することによってそのターゲットを前記管状基板の内面にスパッタリングする際に、前記プローブの内部に絶縁筒を介して補助電極を挿通支持するとともに、該補助電極の先端と前記ターゲットとの相対位置を可変とし、前記管状基板に多重極電極を形成する部分を除いてマスキングし、かつ前記ターゲットを中空孔を有するものとするとともに、プローブを管状基板の内面に対して相対的に移動させながら前記ターゲットの中空孔内には前記プローブを介して放電ガスを供給することによって、このターゲット内部で中空陰極放電を行わせるとともに、前記補助電極によって中空陰極放電を調整して前記管状基板の多重極電極形成部分に前記スパッタリングを行うものである。
【００５５】
同じターゲットを用いて繰り返し成膜、すなわち、電極の形成を行った場合には、ターゲットがスパッタリングされて侵食され、放電状態が変化することになって再現性のないものとなるが、このような構成によれば、中空陰極放電を調整する補助電極とターゲットとの相対位置を可変できるので、ターゲットの侵食に応じて相対位置を調整することにより、最初の放電状態と同様の放電状態を得ることができ、再現性のよい電極の形成が可能となる。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、中空孔を有するターゲットを先端に取り付けてあるパイプ状のプローブを管状基板の内空間に挿入するとともに、このプローブを陰極としてこれに電力を印加することによってそのターゲットを前記管状基板の内面にスパッタリングする際に、多重極電極を形成する部分を除いてマスキングし、プローブを管状基板の内面に対して相対的に移動させながら前記ターゲットの中空孔内には放電ガスを供給することによって、このターゲットの中空孔付近で安定した中空陰極放電を行わせて複数の電極を形成するので、頑強で導電性に優れた均一な多重極電極を得ることが可能となる。
【００５７】
また、管状基板の材質としては、耐熱性の高い石英やセラミックスに限定されることなく、ガラスやプラスチックスを使用することができ、コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る四重極電極の斜視図である。
【図２】図１の管状基板の斜視図である。
【図３】真空成形に使用されるマンドレルの斜視図である。
【図４】本発明方法を実施するためのスパッタリング装置の断面図である。
【図５】図４の切断面線Ａ−Ａから見た断面図である。
【図６】本発明の他の実施例に係るスパッタリング装置の断面図である。
【図７】図６の要部の拡大断面図である。
【図８】四重極電極の電極棒の配置を示す図である。
【図９】従来例の四重極電極の斜視図である。
【符号の説明】
１ 四重極電極
２ 管状基板
３ 電極
４ 双曲線部
５ 隅部
８ プローブ
９ ターゲット
１２ マスキング棒
１７ 搬送機構
Claims (1)
- 先端にターゲットを取り付けてあるパイプ状のプローブを多重極電極用管状基板の内空間に挿入するとともに、このプローブを陰極としてこれに電力を印加することによってそのターゲットを前記多重極電極用管状基板の内面にスパッタリングする方法において、
前記ターゲットの形状を、四重極電極においては四角柱、あるいは前記多重極電極用管状基板に対応した双曲線部を有する形状とし、前記多重極電極用管状基板に多重極電極を形成する部分を除いてマスキングし、かつ前記ターゲットを中空孔を有するものとするとともに、このプローブを多重極電極用管状基板の内面に対して相対的に移動させながら前記ターゲットの中空穴内には前記プローブを介して放電ガスを供給することによって、このターゲットの中空孔付近で中空陰極放電を行わせて前記多重極電極用管状基板の多重極電極形成部分に前記スパッタリングを行うことを特徴とする多重極電極の製造方法。
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|---|---|---|---|
| JP23116394A JP3722856B2 (ja) | 1994-09-27 | 1994-09-27 | 多重極電極の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP23116394A JP3722856B2 (ja) | 1994-09-27 | 1994-09-27 | 多重極電極の製造方法 |
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|---|---|---|---|---|
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