スパッタリング成膜技術を理解する

スパッタリング蒸着入門

定義と利点

スパッタリング成膜は、真空チャンバー内でターゲット表面に高エネルギー粒子を衝突させる高度な技術である。この砲撃の結果、ターゲットから原子やその他の粒子が放出され、それが基板上に堆積して薄膜が形成される。このプロセスは、高エネルギー粒子からターゲット原子への運動量の移動に依存しており、その結果、原子が変位し、基板上に堆積する。

スパッタコーティングの主な利点のひとつは、大面積の高速成膜が可能なことである。この能力は、光学コーティングや半導体デバイスの製造など、広範囲の成膜を必要とする用途にとって極めて重要である。さらに、スパッタリングで製造された膜は、基材との優れた接着性を示し、耐久性と寿命が保証される。

もうひとつの大きな利点は、スパッタリング密度が高いため、成膜時のピンホールが少ないことである。ピンホールは膜の完全性と性能を損なう可能性があるため、ピンホールの低減は最終製品の品質にとって重要な要素となる。スパッタリングプロセスの制御性と再現性も特筆すべき点であり、正確な調整と複数回にわたる一貫した結果を可能にする。

スパッタリング蒸着

スパッタリング技術は汎用性が高く、金属、合金、さらには複雑な化合物など、事実上あらゆる材料から成膜することができる。この柔軟性により、電子工学における機能性コーティングの作成から航空宇宙工学における保護層の開発まで、幅広い応用が可能になる。どのような材料でもスパッタリングできるため、この技術は特定の要件に合わせて調整することができ、さまざまな産業における強力なツールとなっている。

スパッタリングのメカニズム

カスケード衝突とスパッタリング

入射イオンがターゲット表面に衝突すると、そのエネルギーの一部が表面格子原子に移動し、複雑な一連の原子運動が開始される。このエネルギー移動によって原子は格子位置から変位し、そのうちのいくつかは表面のポテンシャル障壁を乗り越えて直接スパッタリングするのに十分なエネルギーを得る。しかし、他の原子は格子内に拘束されたままであるため、その場で振動し、ターゲット材料の局所温度を上昇させる。

十分なエネルギーを受けると、かなりの数の原子が反跳現象を起こす。これらの反跳した原子は隣接する原子と衝突し、原子の位置をずらし、高次の反跳の連鎖反応を引き起こす。この一連の連鎖的な衝突をカスケード衝突と呼ぶ。カスケード衝突.この過程で、カスケードのエネルギーが表面に達し、表面の結合エネルギーを超えると、原子が材料から放出されることがある。カスケードスパッタリング.

入射イオン（紫色の円）が一連の反跳（赤、青、緑、黄色の円）を引き起こし、最終的にターゲットから原子が放出される。ターゲットが薄ければ、放出された原子は裏側から逃げることができ、このプロセスは "透過スパッタリング "と呼ばれる。

要するに、カスケード衝突とスパッタリングは、スパッタリング成膜技術における薄膜形成に必要な原子の変位と排出を促進する基本的なメカニズムである。

スパッタリング技術の種類

ダイオードスパッタリング

ダイオード・スパッタリングは、スパッタリング技術の基礎となる最も基本的な方法である。この手法では、低圧の真空チャンバー内にカソードとアノードを設置する。通常、導電性フィルムであるターゲット材料がカソードの役割を果たし、アノードにはコーティングされる基板が収納される。チャンバー内の電界が臨界しきい値まで強まると、異常グロー放電が始まり、2つの電極間にプラズマ環境が形成される。

このプラズマ状態では、自由電子が陽極に向かって加速され、アルゴンなどの中性ガス原子と衝突する。この衝突によってガス原子がイオン化され、正電荷を帯びたイオンに変化する。これらのイオンは電場の影響を受けてカソードに向かって加速し、ターゲット物質に衝突する。この衝突によってターゲット原子が放出され、スパッタリングと呼ばれるプロセスが行われる。放出された原子はプラズマ中を移動し、基板上に凝縮して薄膜を形成する。

ダイオードのスパッタプロセスは、その簡便さと早期の採用が特徴であるが、課題がないわけではない。特筆すべき限界のひとつは、成膜速度が比較的低いことで、これにより成膜時間が長くなり、ターゲット材料が過熱する可能性がある。この問題は、ターゲットの原子的完全性を損なう可能性があるため、マグネトロンスパッタリングなどの進歩によってこれらの非効率に対処する必要がある。ダイオード・スパッタリングは、その限界にもかかわらず、より複雑なスパッタリング技術を理解する上で重要なベースラインとなっている。

三極スパッタリング

ダイオード・スパッタリングは簡便である反面、放電が不安定で成膜速度が低いという欠点がある。これらの限界に対処するため、トライオードスパッタリング法は、ダイオードスパッタリングセットアップにホットカソードを導入し、それをトライオード構成に変換する。この変更により、スパッタリングプロセスの制御が大幅に向上した。

トライオードスパッタリングでは、電子放出電流と加速電圧を調整することで、プラズマ密度をきめ細かく制御することができる。この微調整機能により、チャンバー内のイオン化プロセスをより正確に制御することができる。さらに、ターゲット電圧を変化させることで、ターゲット材料へのイオンの衝突エネルギーを調節することができる。この戦略的な制御により、ダイオードスパッタリングにおける一般的な課題であるターゲット電圧、ターゲット電流、ガス圧の間の本質的な矛盾が解決されます。

パラメータ	制御メカニズム	影響
電子放出電流	プラズマ密度の調整	電離制御の強化
加速電圧	プラズマ密度を調整	イオン化プロセスを最適化
ターゲット電圧	イオン衝撃エネルギーを調整	ターゲット材料のスパッタリングを改善

3極スパッタリングにホットカソードを導入すると、成膜速度が向上するだけでなく、成膜の全体的な品質も向上します。この方法は、制御性と再現性が向上し、高品質で均一な膜を必要とする用途に特に有利です。

マグネトロンスパッタリング

マグネトロンスパッタリングは、しばしば高速低温スパッタリングと呼ばれ、高度なプラズマベースのコーティング技術です。この方法は、磁気的に閉じ込められたプラズマと負に帯電したターゲット材料との相互作用を利用する。プラズマから放出される正電荷を帯びた高エネルギーイオンがターゲットに衝突すると、「スパッタリング」として知られるプロセスを通じて原子が放出される。放出された原子はプラズマ中を移動し、基板上に堆積して薄膜を形成する。

このプロセスは閉じた磁場の中で行われ、電子をトラップしてスパッタリングの効率を高める役割を果たす。マグネトロンスパッタリングは、より低い圧力で作動することにより、膜中へのガスの混入を最小限に抑え、スパッタされた原子のエネルギー損失を低減する。その結果、卓越した拡張性を持つ高品質の膜が得られ、他の物理蒸着（PVD）技術よりも好ましい方法となっている。

マグネトロンスパッタリングの主な利点の一つは、基板温度上昇を大幅に低減する高い蒸着速度です。これは、温度に敏感な基板の完全性を維持するために特に有益である。さらに、この方法は優れた膜質、再現性、工業化の容易さを提供するため、さまざまな用途で汎用性と信頼性の高い選択肢となる。

ダイポールスパッタリングと比較すると、マグネトロンスパッタリングは、成膜速度、膜質、プロセス全体の効率の点で優れた性能を発揮するため、際立っている。ターゲット近傍の電界と磁界の組み合わせによってE×Bドリフトが生じ、電子の飛行経路が曲げられて延長される。その結果、ガスのイオン化が進み、比較的高密度のプラズマが形成される。カソード/ターゲットに向かって加速されたイオンは、材料をスパッタリングし、ターゲットの上方に位置する基板上に薄膜を形成する。

要約すると、マグネトロンスパッタリングは、基板温度上昇を最小限に抑えながら高品質の薄膜を製造できる能力とその拡張性により、産業用途にも研究用途にも優れた選択肢となっている。

反応性マグネトロンスパッタリング

反応性マグネトロンスパッタリングでは、金属、合金、低原子価金属化合物、または半導体材料をターゲットカソードとして使用します。スパッタリングプロセス中、このターゲット材料は真空チャンバー内に導入されたガス粒子と反応し、スパッタリングプロセス自体または材料が基板表面に堆積する際に化合物膜の形成につながる。この方法は、膜特性を精密に制御しながら高純度の化合物膜を製造できる点で特に注目されている。

このプロセスでは、真空チャンバー内のプラズマ環境が活用され、窒素や酸素のような、通常は安定で不活性なガスが、高エネルギー衝突によって電離し、高い反応性を持つようになる。この反応性ガス粒子がターゲット材料と相互作用することで、複雑な化合物構造の生成が促進される。

反応性マグネトロンスパッタリングの主な利点のひとつは、大面積で均一な薄膜を扱えることである。この能力により、一貫性と高純度が重要な化合物薄膜の大量生産に適した手法となっている。膜特性を制御できるこの方法は、得られるコーティングが厳格な仕様に適合することを保証し、さまざまな産業用途で多用途かつ信頼性の高い選択肢となっている。

アンバランスマグネトロンスパッタリング

アンバランスマグネトロンスパッタリングは、従来のバランスセットアップとは異なる独自の磁場構成を採用している。この "リーキー "磁場設計により、磁場線の一部がターゲットを越えて基板まで伸びる。この延長により、二次電子の移動が促進され、プラズマの基板への到達が促進される。その結果、基板に流れるイオン電流が大幅に増加し、従来のマグネトロンスパッタリングで達成可能な電流の最大10倍に達する。

この技術の主な利点は、粒子を堆積させて薄膜を形成するだけでなく、基板にプラズマを浴びせることができる点にある。この二重の作用により、コーティングを原子レベルで再構築することで、膜質が大幅に向上する。この再構築プロセスに理想的な低エネルギーイオンは、蒸着膜が最適な特性を持つことを保証する。

しかし、アンバランスマグネトロンスパッタリングに課題がないわけではない。イオン砲撃の増大は基板加熱の増大につながり、最高250℃に達することもある。このような制約があるにもかかわらず、マグネトロンスパッタリング技術は、さまざまな硬質膜の作製に非常に有用であり、そのトレードオフは、得られる膜特性の向上に対して許容できるものである。