従来のスパッタリング法とは？精密薄膜蒸着の解説

従来のスパッタリング法は、高エネルギー・イオンの衝突によって固体ターゲット材料から原子を放出させる、広く使われている薄膜蒸着技術である。放出された原子は基板上に堆積し、薄膜を形成する。このプロセスでは通常、真空環境を作り、アルゴンのような不活性ガスを導入し、ガスをイオン化してプラズマを形成し、生成されたイオンを使用してターゲット材料をスパッタリングする。この方法は精度が高く、半導体、光学、コーティングなどの産業で一般的に使用されている。

キーポイントの説明

真空環境づくり:
- プロセスは、不純物や水分を除去するために反応室内を真空にすることから始まる。これにより、均一な成膜のための制御された環境が確保される。
- 通常、圧力は1Pa（0.0000145psi）程度まで下げられる。
不活性ガスの導入:
- 不活性ガス（通常はアルゴン）を低圧でチャンバー内に導入する。このガスが選ばれる理由は、化学的に非反応性であるため、ターゲット材料の汚染を防ぐことができるからである。
- 圧力範囲は通常10^-1～10^-3mbarである。
プラズマ発生:
- 高電圧（3～5kV）を印加してアルゴンガスをイオン化し、Ar+イオンからなるプラズマを生成する。
- プラズマは磁場を利用してターゲットの周囲に閉じ込められ加速されるため、スパッタリングプロセスの効率が向上する。
イオンボンバードとスパッタリング:
- プラスに帯電したアルゴンイオンは、マイナスに帯電したターゲット（陰極）に向かって加速される。
- これらの高エネルギーイオンがターゲットに衝突すると、エネルギーが移動し、原子がターゲット表面から放出される。この現象はスパッタリングとして知られている。
スパッタされた原子の輸送:
- 放出された原子は低圧環境を移動し、基板上に堆積する。
- この輸送は減圧領域で行われるため、干渉や汚染が最小限に抑えられる。
薄膜形成:
- スパッタされた原子は基板上に凝縮し、薄膜を形成する。
- 薄膜の厚みや均一性などの特性は、ガス圧、電圧、ターゲットと基板の距離などのパラメータを調整することで精密に制御することができる。
加熱（オプション）:
- 場合によっては、チャンバーを150℃～750℃（302°F～1382°F）の温度に加熱し、蒸着膜の密着性と品質を向上させる。
一般的なスパッタリング技術:
- マグネトロンスパッタリング:磁場を利用してプラズマ密度を高め、スパッタリング効率を向上させる。
- DCスパッタリング:直流電流を用いてプラズマを発生させ、ターゲット材料をスパッタする。
- RFスパッタリング:高周波でガスをイオン化し、絶縁材料に適している。
- 反応性スパッタリング:反応性ガス（酸素や窒素など）を導入して化合物膜を形成する。
応用例:
- 従来のスパッタリング法は、以下のような様々な産業で使用されている：
  - 半導体:集積回路の薄膜形成用
  - 光学:反射防止膜や反射膜の形成に。
  - コーティング:工具や部品の耐摩耗性コーティングや装飾コーティング用。

これらのステップを踏むことにより、従来のスパッタリング法は精密で高品質な薄膜成膜を保証し、現代の製造業と材料科学の礎石となっている。

要約表

主なステップ	詳細
真空環境	不純物のない、制御された成膜のために～1Paまで減圧。
不活性ガス導入	コンタミネーション防止のため、アルゴンガスを10^-1～10^-3mbarで導入。
プラズマ生成	3-5kVの電圧でアルゴンをイオン化し、効率的なスパッタリングのためのAr+プラズマを形成します。
イオンボンバードメント	Ar+イオンがターゲットに衝突し、基板上に原子を放出する。
薄膜形成	スパッタされた原子が凝縮し、精密な制御で均一な膜を形成します。
加熱（オプション）	150℃～750℃に加熱されたチャンバーで、フィルムの密着性と品質を向上させる。
一般的な技術	マグネトロン、DC、RF、反応性スパッタリング。
用途	半導体、光学、耐摩耗性コーティング。