マグネトロンイオンスパッタ用スパッタリングターゲットの材料選定・SEM試料の蒸着コーターと材料科学
序章
この記事では、スパッタ コーター、マグネトロン スパッタ コーター、非導電性 SEM サンプルまたはその他の基板に薄い金属またはカーボン コーティングを蒸着する熱蒸着カーボン コーターのターゲット材料オプションについて説明します。サンプルを導電性金属でコーティングすると、絶縁サンプルが十分に導電性になり、SEM 画像への帯電効果が最小限に抑えられます。ほとんどの場合、わずか数ナノメートルの金属で SEM サンプルをコーティングすると、くっきりとした鮮明な画像が得られます。適切なターゲット材料の選択は、全体的なイメージング要件、利用可能な SEM、評価される試料材料、および X 線微量分析が必要かどうかによって決まります。
SEMとスパッタコーターの歴史
1965 年の商用導入以来、走査型電子顕微鏡 (SEM) は進化を遂げ、イメージングおよび微量分析機能に多くの改善が組み込まれましたが、非導電性サンプルの帯電の問題は今日まで残っています。 SEM ユーザーは、ケースバイケースで非導電性サンプルの検査に対処する必要があります。幸いなことに、このプロセスを支援する戦略がいくつかあります。
料金の軽減
問題は次のとおりです。通常の電子加速電圧 (kV) (特に 10 kV を超える) では、非導電性の試料に負の電荷が蓄積します。これは、より多くの電子が試料に到達し、二次電子 (SE) または後方散乱電子 (BSE) として放出されるためです。これにより、SEM 画像に強い明るい領域が生成され、ラスター シフトがスキャンされる可能性があります。これらの画像アーティファクトは非常に深刻な場合があり、結果として得られる画像はスキャン対象のオブジェクトとは関係ありません。帯電は 1 keV に近い低ビーム エネルギーでイメージングすることで最小限に抑えることができますが、最近の SEM モデル、特に電界放出型電子銃 (FE-SEM) を使用するモデルのみが、このような低い加速電圧で試料上で小さな電子ビーム プローブ サイズを維持できます ( kV)。あるいは、低真空モード (試料室の圧力は約 1 torr=133 Pa) で動作する可変圧力 SEM は、表面電荷を中和できる陽イオンを生成します。電荷の蓄積を抑制する 3 つ目の方法は、非導電性の試験片表面に非常に薄い導電性コーティングを堆積させることです。通常、真の試験片表面に最小限の構造を追加する金属です。後者の方法は簡単で信頼性が高く、あらゆる SEM で使用できます。一部のコーティングは、最新の SEM、特に電界放出 (FE) 電子銃を搭載した SEM で観察できる粒子構造を示します。スパッタ コーティング用のさまざまな金属があり、低倍率で使用するものもあれば、FE-SEM で高倍率で使用するものもあります。金属コーティングのもう 1 つの利点は、二次電子 (SE) の収率が通常、むき出しの非導電性表面よりもはるかに高いことです。
コーティングの選択
コーティング金属は、実行する分析の種類に基づいて最適な性能を達成するように選択する必要があります。たとえば、低倍率、高倍率のイメージング、微量分析などです。ほとんどの SEM スパッタ コーターではターゲットをすばやく変更できるため、顕微鏡使用者は目前の作業に適したコーティング金属を選択できます。スパッタされたコーティングは、信号対雑音比が高くなるように、二次電子放出収率が高くなければなりません。理想的なコーティングには、試料の特徴の細部を妨げる構造 (粒子または島) があってはなりません。したがって、大きな粒子を含むコーティングは、コーティングの構造が小さすぎて見ることができない低倍率にのみ適しています。高倍率イメージングに適した微粒子コーティングを生成する一部の金属は、より遅い速度で堆積します。しかし、有用なコーティングの厚さは非常に小さく、通常は 1 ～ 3 nm であるため、これは問題ではありません。一部のコーティング材料には、試料中の元素の検出を妨げる可能性のある X 線ラインがあります。ただし、通常の加速電圧では、コーティングの厚さがわずか 1 ～ 2 nm の場合、これは問題になりません。重大な干渉がある場合は、その試験片をコーティングするために別のコーティング金属を選択できます。最後に、最も有用なコーティング材料は貴金属であるため、コスト要因があります。
材料および方法
網羅的ではありませんが、以下の材料のリストは、SEM 用のサンプルをスパッタ コーティングするために使用される最も一般的な金属を示しています。この情報は、最新の DC マグネトロン SEM スパッタ コーター (VPI – モデル 900M) をプロセス ガスとして純粋なアルゴンで使用した場合にのみ有効であることに注意してください。一部のコーティングでは、処理中の酸化の可能性を減らすために、より優れた真空で動作する「高解像度」スパッタ コーター (VPI – SD650MH) が必要です。実際、一部のシステムでは、プレコンディショニング ステップで酸化物がターゲット自体からスパッタされている間、サンプルをシールドするためにシャッターを使用しています。カーボンは微量分析サンプルの導電性コーティングとして一般的に使用されますが、この材料は真空蒸着またはイオンビーム スパッタリングによって堆積させる必要があります。
楽器
一般に、スパッタコーターには2つのタイプがあります。上記のシステムは、VPI 高真空マグネトロン スパッタリング コーター 650MH のような「高解像度」スパッタ コーターと言えます。これは、ターボ ポンプを使用してより高い (よりクリーンな) 真空環境を実現し、純粋なアルゴン ガスをチャンバー内に充填して、空気を除去し、スパッタ効率を高めます。 2 番目のタイプのスパッタ コーターは、VPI のマグネトロン スパッタリング コーター SD-900M モデルのように、より基本的なユニットとして説明できます。この基本的なスパッタ コーターは、Au、Au/Pd、Ag フィルムのコーティングには使用できますが、より細かい粒子サイズのコーティングには使用できません。真空と空気のバックフィルが不十分なシステムを使用すると、スパッタ効率が低下し、堆積膜がきれいではなくなります。厚さ測定とも呼ばれるコーティング膜厚モニターは、システムに固有の石英厚さモニター (4 ~ 6 MHz で動作) を使用して取得されました (VPI の 900M、650MH、Carbon Coater は、厚さモニター測定などのオプションのアクセサリを提供できます)。
ターゲット金属の選択 - ゴールド
金はおそらく非導電性 SEM サンプルに最も広く使用されているコーティング材料ですが、高倍率の画像が必要な研究目的のスパッタ コーティングとしては推奨されません。金は二次電子収率が高く、比較的急速にスパッタしますが、コーティング構造は、最新の研究レベルの SEM で高倍率で観察できる大きな島 (粒子) で構成されています。したがって、コーティング構造がサンプルの構造の詳細を妨げない低倍率、たとえば 5000 倍未満でのイメージングにのみ使用する必要があります。他のほとんどの貴金属コーティングに共通する利点として、Au コーティングは実験室の空気中で酸化しません。 Au の X 線輝線は S および Nb からの X 線と干渉する可能性がありますが、Au L-α 線は Ge からの X 線と干渉する可能性があります。ただし、Au コーティングが適切に薄い場合、定性 X 線微量分析に重大な問題はないはずです。
対象金属の選択 - 金/パラジウム
金/パラジウム スパッタ合金は粒子サイズが小さく、一般的な研究目的に推奨される金属コーティングです。二次電子収率は高く、Au/Pd のスパッタ レートは純粋な Au よりわずかに低いだけです。 Pd X 線の線は、他の元素の重要な線と重なっていません。したがって、上記のAuの場合を超えて、X線微量分析に対する追加の干渉は予想されません。
対象金属の選択 - プラチナ
プラチナは、Au または Au/Pd よりも粒子サイズが細かいため、高倍率のアプリケーションにより適しています。スパッタされた Pt コーティングは高い SE 収率を示しますが、Pt は Au よりも低いスパッタリング率を持っています。 Pt はクラックが観察されています。この効果は「応力亀裂」である可能性があり、スパッタされたコーティング内の酸素堆積に起因する可能性があり、より優れた真空を備えたスパッタコーターの必要性を示しています。 Pt の特性 X 線は、P および Zr からの線と重なる可能性がありますが、厚さ 1 ～ 2 nm のコーティングでは干渉は最小限に抑えられるはずです。
プラチナ/パラジウム合金は、純粋な Pt と同様に粒径が小さく、SE 収率が高いですが、「応力亀裂」の影響を受けにくくなっています。 Pt/Pd 合金は、高倍率アプリケーションに適した万能コーティング材料です。
ターゲット金属の選択 - クロム
クロムは非常に微細な粒子サイズを持っていますが、スパッタリング速度は Au の約半分にすぎません。 Cr 薄膜は、FE-SEM での高倍率イメージングに有用なコーティング材料であることが証明されています。 Cr は酸化しやすいため、コーティング前に酸化物を除去するターゲット コンディショニングには、ターゲット シャッターを備えたターボ ポンプ式の高解像度スパッタ コーター (VPI のコーターなど) を使用する必要があります。チャンバの純粋なアルゴン フラッシングと組み合わせたより良い真空は、スパッタされた Cr 層の酸化を回避するのに十分なほど酸素の分圧を減らします。サンプル表面の薄い Cr 膜は空気中で酸化するため、コーティング後すぐにサンプルを観察する必要があります。サンプルは高真空で保存できます。クロムは、低 Z 材料や生体サンプルの高解像度反射電子イメージングに最適なコーティング材料です。クロムは、その X 線線が酸素以外の一般的な試料元素に干渉しないため、X 線微量分析に適しています。
対象金属の選択 - イリジウム
イリジウムは、事実上すべての試料材料で微細な粒子サイズを示し、高倍率アプリケーション向けの優れた万能コーティング材料です。また、通常は最も高価なコーティング金属であり、通常、Au/Pd および Pt の約 2 倍の価格です。この非酸化性材料は SE 収率が高く、一部のアプリケーションでは、高解像度のサンプル コーティング用にクロムに取って代わりました。これは低速でスパッタし、VPI の高真空マグネトロン スパッタリング コーター 650MH のようなターボ ポンプ式の高解像度スパッタ コーターを使用する必要があります。微量分析用の試料は、VPI の SD-980 パルス熱蒸着カーボン コーターによって蒸発した炭素でコーティングされることが多いため、炭素を X 線微量分析で分析する必要がある場合、Ir は優れた代替コーティング材料です。 Ir の干渉は、それぞれ P と Ga で発生する可能性があります。繰り返しになりますが、厚さ 1 ～ 2 nm のコーティングは、X 線微量分析を妨げずに十分な導電性を提供します。
ターゲット金属の選択 - タングステン
タングステンは粒子サイズが非常に細かいため、高解像度コーティングに最適なコーティングです。しかし、W は急速に酸化するため、Cr で説明したのと同じ厳格なターボ ポンプ式高解像度コーター (VPI の高真空マグネトロン スパッタリング コーター 650MH) が必要です。 Cr と同様に高融点金属であり、スパッタ率は低いが、SE 歩留まりは高い。実験室の空気中では急速に酸化されるため、サンプルはコーティング後すぐに画像化する必要があります。紫外 X 線スペクトルには広範囲の潜在的な微量分析干渉がありますが、非常に薄いコーティング (< 1 nm) により問題が最小限に抑えられます。
その他の金属。代替貴金属 (銀、タンタル、パラジウム) と一般的な金属 (ニッケル、銅、チタン) は、特別な目的に使用されています。ただし、コーティングの酸化の可能性は、それらの一部 (Ag、Ta、Ni、Cu、および Ti) では依然として問題になる可能性があります。銀には、他のコーティングには見られない特別な利点があります。それは、溶解して表面をコーティングされていない状態に戻すことができるということです。 VPI の高真空マグネトロン スパッタリング DC および RF 電源コーターは、あらゆる種類の金属および非金属 (上記で説明) を材料にコーティングできます。
まとめとレビュー
ここで示したこの記事は、最新のターボ ポンプ式 DC マグネトロン SEM スパッタ コーター (VPI SD-650MH または SD-900M、SD-980 カーボン コーター) をプロセス ガスとしてアルゴンで使用した場合にのみ有効です。コーティングの粒子サイズは、コーティングの厚さとコーティング/サンプル材料の相互作用によって異なります。原則として、コーティングが薄いほど、粒子サイズは小さくなります。表面に空洞のある不規則な地形がある場合、均一なコーティングを実現するのが難しい場合があります。その結果、局部的な表面帯電により画質が低下する可能性があります。この問題は通常、回転サンプル ステージ (VPI は、オプションのサンプル水平回転設計ステージまたはその他の比率を提供できます) をスパッタ コーティング システム内に配置することで修正できます。コーティングの厚さは、石英厚さモニターを使用して決定されました。原則として、コーティングの厚さは絶対値ではないレジスタ値を監視します。また、フィルムの色と不透明度の視覚的評価は、スパッタされたフィルムの厚さを見積もるのに役立ちます。サンプルの X 線微量分析が必要な場合は、サンプルに存在しないコーティング (ターゲット) 材料を選択します。これにより、サンプルの X 線スペクトルの干渉ピークを避ける必要があります。また、サンプルとスパッタ フィルムから可能なすべての X 線ラインを考慮してください。どの X 線ラインが存在するかだけでなく、研究で使用する電子ビーム加速電圧 (kV) でどのラインが増強されるかも覚えておく必要があります。考えられるすべての干渉を回避する必要がある場合は、非導電性サンプルを X 線微量分析に適したものにするために、従来の炭素堆積 (熱蒸着) が推奨される方法です。 SEM 試料をコーティングするためのスパッタ ターゲットを選択するための経験則は、利用可能な SEM の機能と一致する最小の粒子サイズを生成する金属を選択することです。したがって、Au は 5000 倍未満の倍率の卓上 SEM に適している場合があります。 Au/Pd および Pt は、汎用 SEM イメージングに役立ちます。 CrまたはWは、FE-SEMを使用した高解像度、高倍率のイメージングに適しています。ターゲット金属が選択されたら、理想的には 1 ~ 2 nm の範囲で、帯電効果を軽減する最も薄い金属膜を生成するように努力する必要があります。
提案
スパッタ コーターのターゲット金属を簡単に変更できるため、イメージングやマイクロアナリシス、または材料科学コーティング用の SEM 標本を柔軟に準備できます。 VPI コーターは、世界中のあらゆる種類のクライアントに適しており、費用対効果に優れています。一方、ターゲットは低倍率と高倍率の作業に使用でき、元素分析を容易にするために変更される場合があります。使用可能な SEM の機能と一致する最小の粒子構造を生成する金属コーティングを使用します。スパッタ ターゲットによってコストは異なりますが、VPI が提供するスパッタ ターゲットの性能は非常に良好で安定しており、高解像度スパッタ コーターのポンピング/真空能力の向上など、追加のインフラストラクチャが必要なものもあります。
