薄膜と成膜プロセスについて

2022年11月30日

薄膜は、現代のテクノロジーと切っても切れない関係にあります。物体の表面に薄膜コーティングを施すことで、耐久性の向上、電気伝導性の変化、光学特性の改善など、その品質を変えることができます。

しかし、物理学における薄膜とは何でしょうか? 薄膜は、サブナノメートルからミクロンまでの厚さの材料の層です。薄膜堆積技術は、物理蒸着と化学蒸着の広いカテゴリーに分類されます。

薄い固体フィルムの歴史は古代に始まり、金属フィルム (通常は金メッキ) が装飾や保護の目的でさまざまな工芸品に使用されました。今日、多くの産業は、高純度の薄膜を生成するために正確な原子層堆積に依存しています。

産業用途には、薄膜太陽電池、高屈折率の光学レンズ、反射防止光学コーティング、半導体デバイス、液晶ディスプレイなどがあります。

この記事では、薄膜と薄膜堆積プロセスについて詳しく説明します。

薄膜とその用途

薄膜は、基板材料 (シリコンウェーハ、電子部品、光学レンズなど) に蒸着されるコーティングです。材料と目的に応じて、膜厚は単原子層から数マイクロメートルまでさまざまです。

異なるアプリケーションでは、異なるタイプの薄膜が必要になります。これらには以下が含まれます：

AR/HR (反射防止または高反射) コーティングは、たとえば可視光をフィルタリングしたり、光線を偏向させたりすることによって、材料の光学特性を変更します。これらの薄膜の一般的な用途には、電子ディスプレイ、光学厚さの薄いレンズ、出力ミラーなどがあります。
TCO (透明導電性酸化物) コーティングは、タッチスクリーン、LCD、および太陽電池で多くの用途を持つ導電性の透明なコーティングです。一例は、太陽電池における水素化微結晶シリコンゲルマニウム薄膜です。
DLC（ダイヤモンドライクカーボン）薄膜により、コーティングされた物体の硬度と耐スクラッチ性が向上します。これらの電気抵抗保護コーティングは、マイクロエレクトロニクス、医療機器、センサーなどの寿命と耐久性を向上させます。
生体適合性ハードコーティングは、埋め込みデバイス、バイオセンサー、および義肢を保護して、デバイスの寿命を延ばし、汚染を防ぎます。生体適合性薄膜は通常、窒化チタンや窒化クロムなどの化合物を使用します。

この記事では、物理蒸着 (PVD) と化学蒸着 (CVD) という 2 つの主要な堆積技術について説明します。これらの方法は、ほとんどのアプリケーションで、ディップコーティングやスピンコーティングなどの他の技術よりも大きな利点を示しています。

物理気相堆積では、低圧チャンバー内で材料を気化させて基板上に堆積させます。PVD によって堆積された膜は、高温への暴露に耐える耐久性と耐腐食性の高いコーティングを作成できます。

化学蒸着は通常、基板表面に薄膜コーティングを作成するために結合する前駆体間の化学反応を伴います。CVDには、反応性イオンエッチングなどの高度な技術が含まれる場合があります。

薄膜形成とは？

薄膜堆積プロセスは、使用される技術によって異なる場合がありますが、ここで説明するすべての方法では、真空チャンバー内の基板表面に薄層を堆積させるプロセスを意味します。

化学蒸着による金属膜の最初の作成は、17世紀半ばに行われました。酸化物堆積の実験は 1760年頃に始まり、スパッタ堆積は 1850年代に最初の一歩を踏み出しました。

1930年代までに、メーカーはすでに初期段階の薄膜を高反射ミラーに使用していました。1960年代の超高真空技術と in-situ電子顕微鏡法により、より高度で純粋で均一な薄膜の作成が可能になりました。1970年、ピーター J. クラークは、イオンと電子の衝突を利用して原子スケールの膜を作成する最初のスパッタガンを発売しました。

原子分解能表面イメージングなどの高度な技術により、今日のような薄膜産業の進歩が可能になりました。スパッタリングベースの方法など、薄膜を堆積する方法は、成長を続け、新しい用途へと発展しています。

基板上に固体材料を蒸発させて堆積させる物理蒸着 (PVD) は、基本的な蒸着プロセスから、マグネトロンスパッタリングやパルスレーザー蒸着まで、さまざまな方法を網羅しています。

Korvus Technology社製HEXシリーズなどの高度な薄膜デバイスの多くは、物理的堆積法を使用しています。PVD、特にスパッタリングにより、メーカーは高精度で均一な薄膜を作成できます。

対照的に、化学気相堆積は、堆積チャンバ内の前駆体間の反応に依存しています。CVDには、Si薄膜の作成など、いくつかの一般的な用途があります。CVDの欠点の1つは、プロセスを促進するために非常に高い温度が必要なことです。

薄膜堆積はどのように機能しますか?

この時点で、まだ薄膜技術とは何か疑問に思っているかもしれません。薄膜の製造プロセスは、蒸着、スパッタリング、イオンビーム蒸着、化学気相蒸着など、使用する技術によって異なります。その質問に答えるために、以下のいくつかの方法を要約しましょう。

熱蒸発

熱蒸着は、10^-6～10^-5mbarの圧力下のチャンバー内で発生します。大電流電源に接続されたるつぼがターゲット材料を保持します。

熱蒸着の基本的な手順は次のとおりです。

ターゲット材料が加熱されると、蒸気圧を発生させる蒸気粒子が放出されます。
蒸気流がチャンバーを横切り、コーティング粒子が基板に付着します。
プロセス全体を通して、真空ポンプは高真空環境を維持し、フィルム粒子の自由な経路を確保するために働き続けます。

化学蒸着

熱と低気圧の条件下で、CVDは次の手順を使用して薄膜を作成します。

所望のコーティングの前駆体は、熱気化を受け、流量制御されたポートを通って反応チャンバーに流れ込みます。
化学反応は、コーティング分子を形成する前駆体の間で発生します。
ガス分子は、冷たい飲み物のグラスの水蒸気のように、低温の基板上で凝縮します。

マグネトロンスパッタリング

スパッタリングは、固体材料の表面から微細な粒子を放出するための物理現象であり、薄膜堆積に活用されています。この現象は、高エネルギーの粒子を固体材料に衝突させることによって起こります。そして、放出された粒子は基板表面に堆積され、薄膜層を形成します。

他の成膜方法と同様に、スパッタリングは、真空ポンプを用いて継続的に空気を除去されている真空チャンバー内で行われます。真空はこのプロセスの重要な条件です。

マグネトロンスパッタリングには、次の手順が含まれます。

不活性ガス（一般的にアルゴン）を真空チャンバー内に連続的に流します。円筒形のカソード内の磁石が磁場を発生します。
高電圧により、ターゲットの磁場の近くにガスプラズマが生成します。プラズマには、アルゴンガス原子、アルゴンイオン、および自由電子が含まれます。アルゴン原子に衝突した電子は、正に帯電したイオンを連続的に生成します。
負に帯電したスパッタターゲットが、帯電したアルゴンイオンを引き付けます。アルゴンイオンがターゲットに衝突すると、ターゲット表面から原子が放出します。
放出された原子は基板の表面に付着し、膜を形成します。

分子線エピタキシー (MBE)

エピタキシャル膜を成長させる技術であるMBEは、超高真空条件を必要とし、他の薄膜堆積プロセスと比較してより複雑です。

この方法は、堆積パラメータを厳密に制御し、多くのナノテクノロジーの基本的な要件である高純度の多結晶薄膜を作成できます。場合によっては、エピタキシャル膜は基板と同じ材料で構成されますが、より純粋で欠陥率が低くなります。

MBE によるエピタキシャル薄膜の作成には、次の段階が含まれます。

堆積させる材料を、エフュージョンチャンバー内で加熱します。
ターゲット材料原子または分子は、エフュージョンフュージョンセルからビームとして放出され、基板に向かって移動します。粒子は高度に制御されたビームとして移動するため、膜形成を高度に制御することができます。
粒子は基板上に精密に堆積し、結晶構造を保持した単層膜を形成します。

それぞれのケースで推奨される薄膜作成方法は、アプリケーション、ターゲットと基板の材質、および必要とされる膜の均一性と、熱伝導率や耐食性などと言った物理的および化学的特性によって異なります。

たとえば、化学蒸着は、集積回路でよく使用される薄膜多結晶シリコンに適していますが、光学特性を改善するためのコーティングの生成には、多くの場合、スパッタリングが最適です。

大規模生産と技術進歩のための薄膜堆積の利点

PVD法やCVD法で成長させた薄膜は、今日の多くの産業の基礎となっています。薄膜技術には、半導体、医療機器、ファイバーレーザー、LEDディスプレイ、その他の家電製品など、無数のアプリケーションがあります。

以下は、高度な薄膜アプリケーションのほんの一例です。

太陽電池：薄膜太陽電池のエネルギー生成特性は、ガラスまたは金属基板上に堆積されたシリコン薄膜の層によるものです。第2世代のシリコン薄膜太陽電池は柔軟性があり、結晶シリコン電池より軽量であるため、太陽電池グレージングなどのアプリケーションが可能になります。シリコンの非結晶形態であるアモルファスシリコンは、コストを削減し、薄膜パネルの生産を拡大するのに役立つ手頃な価格の基板です。
薄膜トランジスタ：薄膜トランジスタは、液晶ディスプレイの重要なコンポーネントです。このタイプのトランジスタは、安価でエネルギー効率が高く、応答時間が長くなります。
薄膜電池：薄膜バッテリーは、従来のリチウムイオンバッテリーよりも効率的で、充電が速く、長持ちします。このタイプのバッテリーは、医療製品、インプラント、スマートカード、およびグリーンエネルギーストレージバンクのパフォーマンスを向上させることができます。

薄膜産業は進化し続けています。研究者は、薄膜の純度、精度、光学特性、およびその他の品質を向上させる方法を常に模索しています。一方、業界の専門家は、薄膜製造におけるコストの削減と生産拡大の障害の克服に取り組んでいます。

生産チェーンに薄膜蒸着を実装するには、薄膜蒸着システムを導入する必要があります。

Korvus Technologyは、実験室やメーカー向けのモジュール式の多目的真空蒸着装置やその他の薄膜アクセサリおよびコンポーネントの信頼できるプロバイダーです。

まとめ

今日私たちが知っている世界は、薄膜に依存しています。薄膜は、ポテトチップスの袋から、この記事を読むために使用しているデバイスまで、いたるところにあります。

目に見えないことが多い薄膜は、現代産業の静かなスーパーヒーローであり、貯蔵寿命の延長からレンズの光学特性の改善まで、さまざまな用途があります。薄膜は、金属、酸化物、および有機材料で構成されます。

薄膜を作成する技術は、用途や業界の要求によって異なります。薄膜について詳しく知りたい場合は、他の記事を参照してください。