スパッタリングターゲットの紹介

マグネトロンスパッタリングの概要

ターゲット材の役割

ターゲット材料は、ウェハー製造における薄膜の成膜品質に極めて重要な役割を果たす。スパッタリング・ターゲットと呼ばれるこの材料は、高エネルギーの粒子にさらされ、その表面から原子が放出される。これらの原子はウェハー基板上に移動・凝縮し、薄膜を形成する。ターゲット材料の特性は、導電性、光学的透明性、機械的耐久性など、成膜された薄膜の特性に直接影響する。

例えば、ターゲット材料の純度は最も重要である。ターゲットに不純物があると膜に欠陥が生じ、全体的な性能に影響する。同様に、ターゲット材料の密度は、均一なスパッタリング速度を確保するために極めて重要であり、ひいては成膜された膜の厚さと均一性に影響を与える。さらに、ターゲット材料の粒径は、膜の均一性に影響を与え、欠陥の可能性を低減し、最終製品の品質を向上させる。

要約すると、ターゲット材料はスパッタリングプロセスにおける単なる受動的な要素ではなく、ウェハー製造において生産される薄膜の品質と性能を決定する能動的な要素である。

スパッタリングプロセス

スパッタリングプロセスでは、高速のアルゴンイオンがターゲット材料に衝突し、原子や分子が表面から放出される。放出された粒子はウェハー基板に向かって移動し、そこで合体して薄膜を形成する。この方法は、薄膜蒸着技術、特に物理蒸着（PVD）プロセスの基礎となっている。

スパッタリングでは、主に希ガスイオンなどの高エネルギーイオンがターゲット材料に衝突する。この衝突は、原子をターゲットの固体状態から気相に移動させるのに十分なエネルギーを与える。放出された原子はその後、真空環境を移動して基材上に落ち着き、そこでコヒーレントな膜に凝集する。

スパッタリングはコーティング用途に利用されるだけでなく、表面物理学においても重要なツールとなっている。スパッタリングは、高純度表面の作製や表面の化学組成の分析に用いられる。このプロセスは、部分的に電離したガスであるプラズマのエネルギーを利用し、ターゲットの表面に作用して材料原子を1つずつ取り出し、基板上への正確で制御された成膜を保証する。

スパッタリングターゲットの種類

モノリシックターゲット

モノリシックターゲットはスパッタリングプロセスにおいて重要なコンポーネントであり、薄膜の成膜において極めて重要な役割を果たす。これらのターゲットは単一材料で構成されており、金属シングルターゲットと非金属モノマーの2つの主要グループに大別される。

金属シングルターゲットは通常、アルミニウム（Al）、銅（Cu）、銀（Ag）などの材料から作られる。これらの金属は、優れた電気伝導性、熱安定性、高品質の薄膜を形成する能力のために選ばれます。例えば、アルミニウムは反射率が高く、抵抗率が低いため、マイクロエレクトロニクスの反射コーティングや相互接続の製造に広く使用されている。

一方、非金属モノマーには、セレン（Se）、シリコン（Si）、ホウ素（B）などの元素が含まれる。これらの材料は、特定の用途に不可欠な独自の特性を持つために選択される。例えば、セレンはイメージングデバイスの光導電層の製造によく使われ、シリコンは半導体デバイスの製造に欠かせない。

モノリシック・ターゲットの選択は恣意的なものではなく、成膜される薄膜の具体的な要件によって決定される。各材料には、電気的、光学的、機械的性能など、薄膜の最終的な特性に影響を与える独自の特性があります。したがって、ウェハー製造において望ましい結果を得るためには、各ターゲット材料のニュアンスを理解することが不可欠である。

要約すると、モノリシックターゲットは、その単一材料組成と成膜プロセスにもたらす調整された特性のおかげで、様々なスパッタリング用途に多用途かつ効果的なソリューションを提供する。

複合ターゲット

複合スパッタリングターゲットには、薄膜蒸着における特定の用途に合わせて調整された多様な材料が含まれます。これらのターゲットには ホウ化物 , 超硬合金 , 窒化物 , セレン化物 , 珪化物 , 硫化物 , 砒化物 および 酸化物 .各複合ターゲットは、蒸着膜の特性に影響を与えるユニークな特性を備えています。

• ホウ化物:高い硬度と熱安定性で知られるホウ化物ターゲットは、耐摩耗性コーティングを必要とする用途によく使用されます。
• 超硬合金:バインダー金属（通常はコバルト）と硬質セラミック粒子（炭化タングステンなど）からなり、耐摩耗性と高温性能に優れています。
• 窒化物:非常に硬く、化学的に不活性であることが特徴で、窒化物ターゲットは切削工具や装飾コーティングの製造によく使用される。
• セレン化物:ユニークな光学特性を提供するセレン化物のターゲットは、光電子デバイスや太陽電池の製造において極めて重要である。
• シリサイド:優れた電気伝導性と熱安定性を持つシリサイドターゲットは、半導体製造においてコンタクトやインターコネクトの形成に不可欠です。
• 硫化物:潤滑性と光学特性で知られる硫化物ターゲットは、摩擦防止コーティングや赤外光学部品などの用途に使用されている。
• 砒化物:高い電子移動度を提供する砒化物ターゲットは、高速電子デバイスや太陽電池の製造に不可欠である。
• 酸化物:電気的、光学的、磁気的特性で有名な酸化物ターゲットは、コンデンサー、抵抗器、磁気記憶装置の製造に広く使用されています。

これらの複合ターゲットは、それぞれ所望の膜特性を達成する上で重要な役割を果たし、最終製品の機能性と性能を保証します。

スパッタリングターゲットの主要パラメーター

純度

スパッタリングターゲットの純度は、製造される薄膜の品質に直接影響する重要な要素である。成膜された薄膜の電気的、光学的、機械的特性を最適にするためには、ターゲットの純度が極めて高くなければならない。不純物はボイド、介在物、不均一性などの欠陥につながり、最終製品の性能を著しく低下させる可能性がある。

例えば、高純度ターゲットは、蒸着膜が優れた導電性、透明性、機械的強度を示すことを保証する。これは、微量の不純物でもデバイスの故障につながる半導体製造などの用途では特に重要である。純度要件はしばしば厳しく、多くの業界が不純物レベルを100万分の1（ppm）以下にすることを目標に指定しています。

このような高水準の純度を達成するには、高度な精製技術や厳格な品質管理手段を含む厳格な製造工程が必要です。これらの工程により、薄膜の完全性を損なう可能性のある汚染物質がターゲット材料に含まれていないことが保証される。

密度

高密度のターゲットは、均一なスパッタリング速度を維持し、ターゲット材料の寿命を延ばすために極めて重要である。スパッタリングターゲットの密度は、ウェハー製造における高品質薄膜の成膜に不可欠なスパッタリングプロセスの効率と一貫性に直接影響する。

ターゲットの密度が高いほど、ターゲットから原子や分子をスパッタリングする高速のアルゴンイオンが表面とより均一に相互作用する。この均一な相互作用は、より安定した成膜速度につながり、導電性、光学的透明性、機械的強度などの所望の膜特性を達成するために不可欠である。

さらに、高密度のターゲットは、大きな劣化なしにイオンの激しい照射に耐えることができるため、耐用年数が長くなる傾向がある。この耐久性は、頻繁なターゲット交換がコストと時間のかかる産業用途では特に重要である。

まとめると、スパッタリングターゲットの密度は、スパッタリングプロセスの効率とターゲット材料の寿命の両方に影響する重要なパラメータであり、スパッタリングターゲットの選択と設計において重要な考慮事項となる。

粒径

スパッタリングターゲットの粒径を小さくすることは、成膜された薄膜の品質を高める上で極めて重要な役割を果たす。このパラメータは、薄膜中に存在する欠陥の数に直接影響し、最終製品の性能や信頼性に大きな影響を与える可能性がある。

欠陥低減への影響

結晶粒径が小さくなることで、スパッタリング工程における原子の分布がより均一になる。この均一性により、ボイドやクラックなど、欠陥部位となりうる構造的欠陥の形成が最小限に抑えられる。その結果、フィルムの機械的完全性が向上し、応力や変形に対する耐性が高まります。

膜の均一性の向上

結晶粒の微細化により、成膜プロセスの制御性が向上し、ウェハ全体の膜厚がより均一になります。この均一性は、半導体製造のように正確な膜特性が必要とされる用途では極めて重要です。また、粒径を小さくすることで表面が滑らかになるため、フィルムの光学的・電気的特性に影響を与える表面の凹凸が生じにくくなる。

実用的な意味合い

実用面では、薄膜の品質が最優先される高精度用途では、粒径の小さいターゲットが好まれることが多い。この好みは、わずかな欠陥でも重大な性能問題につながるマイクロエレクトロニクスなどの産業で顕著である。粒径が最適化されたターゲットを使用することで、得られる膜がこれらの高度な用途に要求される厳しい品質基準を満たすことが保証される。

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