2022年11月11日

物質の3つの状態 (固体、液体、気体) があることは一般的によく知られています。しかし、それらとは異なる状態として、気体プラズマが存在します。このユニークな動的条件は、同じ空間内に、電子、光子および加速されたイオンが共存する中性ガス原子のフラックスを作り出します。プラズマは不安定な高エネルギー粒子 (イオンと電子) で構成されているため、高電圧や高温といった外部エネルギー源を必要とします。

ガスプラズマは、さまざまな産業において多くの用途があります。その用途のひとつがスパッタ蒸着による表面改質です。物理的スパッタリングは、ソース材料から加速されたイオンをターゲット表面に向けることで、コーティングを作成する薄膜作成方法です。この技術は、半導体産業、ソーラーパネル、ディスクドライブ、光学デバイスおよびその他の主要産業に応用されています。

この概要では、スパッタ成膜法の基本と、他の成膜法と比較した利点について説明します。

スパッタリングとは？

『スパッタリング』の語源は、ラテン語で『騒々しく吐き出すこと』を意味する『Sputare』です。小さな湿った粒子フラックスで構成されたスプレー ファウンテンを思い浮かべることができます。大ざっぱではありますが、このイメージはガスプラズマベースのスパッタを非常によく表しています。

自動車整備を行う業種では、エンジンが過熱して停止しようとする時に、エンジンが発する一連の爆発音を『スパッタ』と関連付ける場合もあります。しかし、工業物理学における『スパッタリング』は、まったく異なる意味合いを持っています。

このプロセスは、物理蒸着(一般にPVD​​と呼ばれる) の多くの形態の中の1つです。最も広く使用されている代替手段の1つは熱蒸着法です。

スパッタリングは、スパッタされた原子から作られるフィルムコーティングの堆積を可能にするプロセスです。この手法なしには、LEDディスプレイ、光学フィルター、精密光学などに必要な高品質なコーティング膜を実現することはほぼ不可能です。

プラズマスパッタは1970 年に始まりました。Peter J. Clarkeは、電子とイオンの衝突を利用して原子スケールのコーティングをターゲット表面に堆積させる最初のスパッタデバイスを発表しました。50年以上経った今日、薄膜アプリケーションは、航空宇宙、太陽エネルギー、マイクロエレクトロニクス、自動車、およびその他の産業と切り離すことのできない役割を担っています。

スパッタプロセス

スパッタリングプロセスは、不活性ガス原子で満たされた真空チャンバー内に基板 (コーティングが必要な表面) を配置することから始まります。

基板表面にコーティングされるソース材料は、負の電荷を印加され、カソードになります。これにより、帯電したソース材料から自由電子が流れます。これらの自由電子は、同じ負電荷を持つガス原子を取り囲む外殻電子と衝突し、ガス電子を追い出します。電子を失うことで、中性原子は高エネルギーのイオンに変わります。

陰極ターゲットが衝突される時、衝突によって電子がノックアウトされ、ガス原子が正に帯電したイオンに変わります。負に帯電したソース材料はこれらの正イオンを引き付け、原子サイズの粒子が「『スパッタオフ』または分離するほどの高速で飛行します。

最後に、スパッタされた粒子は真空チャンバーを横切り、成長膜として基板表面に着地し始めます。

スパッタリングはどのように機能しますか?

スパッタシステムには、用途に応じてさまざまなサイズがあります。このプロセスは真空チャンバー内で行われます。ガラス (建築用ガラス、太陽電池など) は、フィルムコーティングの最も一般的な基板です。

Korvus Technology社製HEXシステムはは、スパッタリングを含む様々な真空成膜法をサポートする薄膜蒸着システムです。スパッタコーティングは、この信じられないほど用途が広く効率的な真空システムの最も一般的な用途の1つです。

スパッタリングターゲットとは？

フィルム材料ソースは、金属、セラミック、またはプラスチック製の円形のターゲットです。例として、モリブデン ターゲットを見てみましょう。モリブデンは、ディスプレイや太陽電池の導電性薄膜の作製によく使用されます。

プロセス全体を通して、真空ポンプが空気を除去し続け、真空環境を作り出します。チャンバー内のベース圧力は、およそ10^-6ミリバール、または大気圧のおよそ10億分の1です。

不活性ガス原子がデポジションチャンバー内に連続的に流れ込み、低ガス圧雰囲気を作り出します。

PVDでは、磁石アレイが円筒形ターゲットシリンダーの内側に配置され、磁場を放出します。ターゲットシリンダー内の冷却水は、プロセスで発生した熱を放散します。

スパッタコーターはどのように機能しますか?

高電圧下では、モリブデン ターゲットが気体プラズマを生成し、磁界に沿って円形にプラズマが集中します。プラズマは、ガス原子、自由電子、および正に帯電したアルゴンイオンで構成されます。

アルゴン原子との継続的な電子衝突により、正に帯電したイオンが生成され続けます。ターゲット表面またはカソードは負に帯電しているため、その結合エネルギーがエネルギーの高いイオンを引き付けます。ターゲットにイオンが衝突すると、イオンがターゲット原子と置換します。別のボールと衝突して転がるビリヤードボールのように考えることができます。

スパッタされた原子は、ターゲットの対向にあるガラス基板またはアノード上に徐々に堆積します。ターゲットから放出された原子は薄膜を形成します。

このプロセスの堆積速度は、ターゲット材料の物理的特性、電流、ビームエネルギーなどのさまざまな要因に依存します。

目標表面品質

ターゲット表面に衝突するイオンは、目的のターゲット原子 (モリブデンなど) と同じ電位の他の原子（不純物）を区別しません。スパッタされる原子は、ターゲット原子と不純物の両方を含んでいる可能性があります。

ターゲット表面に不純物が含まれている場合、それらはスパッタされた原子として基板に付着し、導電率などの薄膜特性を損なう可能性があります。高品質の薄膜を確保するには、信頼できるメーカーによる高純度のターゲットと、高性能の装置を使用する必要があります。

アルゴンの役割

アルゴンは、高質量イオンを含む不活性ガスであるため、スパッタシステムでうまく機能します。しかしながら、反応性スパッタ法においては、酸素または窒素などの非不活性ガスを使用することもできます。反応性スパッタ法では、酸素や窒素などのガスイオンがターゲット材料と再結合して堆積膜を生成します。

イオンビームスパッタリング

イオン ビーム スパッタリングは、イオン源がターゲットの金属または誘電体材料を基板上にスパッタリングする薄膜堆積方法です。イオンビームにより生成されるイオンビームは、エネルギーが等しく、高い指向性を持っていることから、膜成長の正確な制御が可能になります。その結果、高密度で優れた品質のフィルムが得られます。

DC 対 RF スパッタリング

DCスパッタリングは、DC（直流）電源を使用します。この方法は広く使用されており、効果的で経済的です。これにより、大量の基板の処理が可能になります。

RFスパッタリング法は高電圧AC（交流）電源を使用し、導電性材料および非導電性材料の両方のスパッタリングに対応します。RFはRadio Freaquencyの略です。この技術はより高価で、スパッタ歩留まりが低いため、より小さな基板サイズに適しています。

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、磁場に依存して、マグネトロンスパッタリングソースからの荷電イオン粒子の速度と方向を制御します。2極スパッタリングは原子スケールの薄膜を生成できますが、限られたサイズの基板で最適に動作する遅いプロセスです。さらに、粒子の衝突は基板の過熱や損傷を引き起こす可能性があります。

マグネトロンスパッタリングでは、カソードの後ろに配置された磁石が電子をトラップし、電子が基板に衝突するのを防ぎ、より高速な堆積を実現します。

マグネトロンスパッタ成膜の利点

他の技術とは異なり、マグネトロン スパッタリングは原料の溶融と蒸発を必要としません。このプロセスは、融解温度に関係なく、ほぼすべての材料で機能します。磁場技術により、化合物や合金をスパッタリングターゲットとして使用しながら、その組成を可能な限り維持することができます。

スパッタリング成膜の利点と応用

スパッタ堆積は、衝突する粒子が非常に高い運動エネルギーを持っている場合にのみ発生し、ガスプラズマの生成を可能にします。この方法により、純粋で正確な原子レベルの成膜が可能になり、従来の熱エネルギー技術よりもはるかに優れています。

衝突粒子のエネルギー移動、ターゲット原子とイオンの相対質量、およびターゲット原子の表面結合エネルギーはすべて、ソース材料から飛散する原子の平均数であるスパッタ率を制御します。スパッタ率の優れた精度と一定率により、スパッタコーティングの厚さを正確にプログラミングできます。

熱蒸着などの他の堆積方法と比較して、スパッタリングは、さまざまな混合物や合金を含む幅広い材料に適しています。そのより高いエネルギー伝達により、低温でも、より優れた表面接着、より均一なフィルム、および、より高い膜密度が得られます。

多くの産業は、前述の堆積方法によって生成された高品質の薄膜に依存しています。以下にいくつかの例を示します。

• 光学フィルターや精密光学部品などのオプトエレクトロニクス産業
• 医療機器およびインプラント
• 家電製品と LED ディスプレイ
• ファイバーレーザーと半導体レーザー
• 顕微鏡および微量分析のサンプルスライド

スパッタリング成膜は、多くの方法と技術を備えた多様な分野です。これには、RFおよびDCマグネトロンスパッタリング、イオンビームスパッタリング、反応性スパッタリングなどが含まれます。

まとめ

スパッタリング蒸着は、幅広い業界に革新と優れた性能をもたらしました。この方法は、多くのサブ技術で構成されており、そのすべてが高エネルギーの衝突を使用して、材料の薄くて正確なコーティングを作成します。マグネトロンスパッタ成膜は、アプリケーションと基板の範囲をさらに拡大しました。

最終的な膜の品質は、ターゲット材料の特性、プロセス方法論、スパッタリングシステムの性能など、いくつかの要因に左右されます。

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