熱蒸着法とは？熱蒸着の動作原理は？
2022年11月18日
熱蒸着は、非常に一般的な物理蒸着 (PVD) 法です。熱蒸着には、抵抗加熱を利用して、高真空チャンバー内で固体材料を蒸発させ、高い蒸気圧を発生させる方法が含まれます。次に、材料の蒸気流が、真空チャンバー内にある基板表面をコーティングします。
熱蒸着法による薄膜堆積には、太陽電池、薄膜トランジスタ、半導体ウェーハ、および炭素ベースのOLEDにおける金属結合層の作成を含む、多くの産業アプリケーションがあります。薄膜は、単元素で構成することも、異なる元素を用いた同時蒸着層を形成することもできます。
熱蒸着の動作原理は?このタイプの熱蒸着システムには何が含まれており、薄膜堆積における高温PVDの役割は何ですか?
熱蒸着とは?
用語が示すように、熱蒸着には熱が必要です。高真空チャンバー内で、熱源が固体材料に作用して蒸気圧を発生させます。ほとんどの熱蒸着装置は、原材料を固体状態から蒸気にするために、摂氏250～350度の範囲の蒸発温度に加熱します。
熱蒸着装置の基本ユニットは、基板と原材料を保持する真空チャンバーです。通常、原材料はチャンバーの下部に置かれ、基板を上部の反転位置に設置されします。
真空環境のおかげで、比較的低い蒸気圧でも蒸気雲が発生します。蒸気雲が発生すると、蒸発した粒子からなる蒸気流がチャンバーを横断し、薄膜コーティングとして基板表面に付着します。
抵抗加熱蒸着プロセスは、物理蒸着(PVD)の最も簡単で効率的な手法の1つです。この一般的な手法は、金属だけでなく、酸化物や窒化物などの非金属薄膜を作成するためにも非常に効果的です。スパッタリングプロセスと比較して、より高い堆積速度とより厚いコーティングを生成し、電気接点を使用するアプリケーションに特に適しています.
熱蒸着プロセスの構成
熱蒸着法は原理的に基本的なプロセスで構成されており、薄膜堆積における最も古い技術の1つです。熱化学蒸着とは異なり、複雑な前駆体や反応性ガスを必要としません。
熱蒸発を起こすためには、堆積チャンバーが適切な条件（高真空環境および原材料の原子が蒸気に変わるのに十分な温度）が必要です。
真空チャンバー環境
効果的な熱蒸着には、蒸着を妨げる可能性のあるガス粒子を除去するための高真空環境が必要です。真空ポンプは、熱蒸発器内を真空に保ちます。一部のシステムでは、真空チャンバは、ソース材料の周囲が低圧で、基板領域が高圧です。
真空チャンバーの底にはヒーター蒸発器があり、原料を保持し、必要な温度にするためのジュール熱を提供します。
PVD（物理蒸着）
原材料の熱放散により蒸気圧が発生します。チャンバー内で蒸気流が上昇して、基板に到達します。次に、蒸発した材料が基板表面で凝集して固体膜を形成します。基板ホルダーが連続的に回転し、均一な層の堆積膜を作成するようにします。
PVDは、金属と非金属の両方の蒸着に適しており、シリコンウェーハやポリマーといった、さまざまな材質の基板に対応します。
その他の考慮するべき要素
堆積させる薄膜の品質は、真空チャンバー内の圧力、原料の分子量と蒸発速度、基板ホルダーの回転速度など、いくつかの要因に依存します。
真空度が高くなると、原材料分子の自由行程が改善され、膜中の不純物が減少します。対照的に、表面が粗い基板の場合、不均一な成膜を引き起こす可能性があります。熱蒸着法は、融点が非常に高い材料ではうまく機能しない場合があります。
熱蒸着システムとその仕組み
産業用熱蒸着システムは、膜の純度を確保するために正確な条件下で動作する必要があります。熱蒸発プロセスの2つの主な方式は、フィラメント蒸着と電子ビーム (Eビーム) 蒸着です。
フィラメント蒸着では、「ボート」とも呼ばれる抵抗蒸発フィラメントを使用します。本質的に、蒸着ボートは蒸発源として機能し、適切なサイズのくぼみに原材料をセットします。多くの場合、蒸着ボートはタングステンの薄いシートです。低電圧のため、フィラメント蒸発は比較的安全です。ただし、この方法には非常に大きな電流が必要です。
電子ビーム（Eビーム）蒸着では、より高い電力密度を利用します。この方法には高電圧 (通常は 10,000 ボルト以上) が必要であり、特殊な安全機能が必要です。
エネルギー源は電子ビームガンで、高電圧を利用して電子を加速し、電子ビームに指向性を与えます。この電子ビームは、原料の入ったるつぼに当たります。多くのEビームシステムには複数のるつぼがあり、一度に複数の原材料をセットして、シームレスな同時蒸着と多層コーティングを可能にします。
蒸発速度と堆積速度を制御するために、ほとんどの熱蒸発システムは水晶振動子マイクロバランス (QCM) を使用して堆積膜厚を測定および調整します。熱蒸着システムでは、さまざまなソフトウェアまたはハードウェア構成を使用して、蒸発速度と膜特性を管理することもできます。
熱蒸発プロセスで使用される材料の種類は何ですか?
一般的に使用される熱蒸発源の例がいくつかあります。金属、合金、およびセラミックスはすべて、熱蒸着蒸着における蒸着膜の原材料として使用できます。熱蒸着では、クロム、アルミニウム、銀、金、およびその他の多くの金属を蒸着できます。一般に、抵抗加熱は、均一な融点を持つ元素材料に最適です。
電子ビーム（Eビーム）蒸着は、50 年以上前に熱蒸着技術として登場して以来、遷移金属酸化物などの高温ソース材料の効果的な蒸着を可能にしました。SiO2、HfO2、Al2O3 などを含むこれらの材料は、多くの場合、UVコーティングとして機能します。
熱蒸着は、固有の不安定性を伴う熱力学的プロセスです。より均一なプロセスとより高い膜純度を実現するために、予備溶融、添加剤の混合、密度制御、導電性亜酸化物の生成などといった特別な処理を行うことがよくあります。電子ビーム蒸着では、イオンアシスト (IAD) を使用して、より安定した高密度の膜を生成することもできます。
しかし、過去数十年の技術的進歩があっても、電子ビーム蒸着は、天文学、バイオテクノロジー、医療、および航空宇宙産業で高精度の光学コーティングを生成するのに十分な精度を提供できない可能性があります。これらのアプリケーションは、ほとんどが、改善されたステップカバレッジを提供するスパッタ堆積プロセスなどの他の膜堆積方法に移行しています。
熱蒸着の応用
熱蒸着法には、次のような多くの産業用途があります。
- 光学:製造業者は熱蒸着を使用して、光学レンズおよび眼科用レンズのコーティングを製造しています。熱蒸着では、ハード コーティング、反射防止層、ミラー コーティング、および UV または赤外線から保護する層を作成できます。
- エレクトロニクス：熱蒸着は、OLED や太陽電池などのデバイスの極薄金属めっきに適しています。
- 消費者向け包装:包装用ホイルは、熱蒸発の最大規模のアプリケーションの1つです。多くの食品は、プラスチック包装に適用された薄いアルミニウム フィルムのおかげで、改善された貯蔵寿命と長期間の鮮度の恩恵を受けています。
- ジュエリーとアクセサリー：コスチュームジュエリー、アクセサリー、ボタン、およびその他のアパレルアイテムも、熱蒸着によって蒸着された薄膜コーティングの美的効果から恩恵を受けることがよくあります。アクセサリーでは、薄い金属メッキにより、生産を手頃な価格で費用対効果の高いものに保つことができます。
熱蒸着法を選択し、工業規模のシステムに投資することは、メーカーの生産ライン全体に影響を与えます。メーカーが熱蒸着技術への投資を計画する場合、品質、一貫性、膜の純度などの要素を考慮する必要があります。
当然のことながら、要件は生産ラインによって異なります。アクセサリや消費者向けパッケージで許容されるフィルム品質は、精密レンズや有機太陽電池に十分な光学的または電気的特性を提供しない場合があります。
営利企業が工業規模の熱蒸発システムを選択する場合、まず、そのシステムが会社が薄膜コーティングとして適用する予定の材料に対して適切に機能すること、および次にシステムが石英などの適切な品質管理を使用していることを確認することが重要です。クリスタルセンサーまたは光学監視システム。
真空チャンバー内のベース圧力も、最終製品の品質に重要な役割を果たします。ほとんどのシステムは、10-07 ～ 10-05 mbar の分圧を供給して、蒸発した材料の平均自由行程が十分に長く、残留ガスによる蒸気粒子の散乱を回避する必要があります。きれいな基板表面と安定したコーティングを提供するには、適切なベース圧力レベルも重要です。
まとめ
薄膜コーティングは、アンティークの金属メッキから、今日の精密で高度な薄膜蒸着システムまで、長い道のりを歩んできました。
Korvus Technology社製HEXシリーズのような精密で高度な薄膜蒸着システムは、光学、エレクトロニクス、太陽電池など、さまざまな産業で不可欠な位置を維持しています。熱蒸着法は、蒸着率が高く、材料の利用効率が高いため、熱蒸着は薄膜アプリケーションにおいて他の方法よりも優れています。電子ビーム蒸着などの高度な技術は、熱蒸発により、優れた精度で高品質のコーティングを生成するのに役立ちます。